数智流体力学的发展及油气渗流领域应用

大数据及人工智能技术的崛起推动了数智流体力学的快速发展. 数智流体力学是将流体力学、大数据和人工智能相结合, 以流体力学场景需求为导向, 形成以“数”为基础, 以“智”为核心, 以算力为支撑的新研究范式. 核心内涵是要以数据驱动为主, 融合物理信息、专家经验等先验知识, 利用智能化手段构建“数据 + 物理”双驱动的数智模型, 解决场景需求问题. 数智流体力学在建模灵活性、运算效率、计算精度方面具有十分明显的优势, 其应用潜力已经在多尺度流动、多场耦合以及流场建模等方面得到验证. 数智流体力学研究范式包括数据治理和智能算法构建, 其中数据治理工作尤为重要, 治理后的数据质量是智能算法能否发挥其价值的关键. 智能算法中“数据 + 物理”协同驱动主要存在四种引入机制, 分别是基于输入数据的嵌入机制、基于模型架构的嵌入机制、基于损失函数的嵌入机制和基于模型优化的嵌入机制. 以油气领域应用为例, 介绍了数智流体力学在储层物性参数预测、压裂效果评价以及注采参数优化等方面的一系列研究进展. 数智流体力学是流体力学未来的重要发展方向之一, 以场景需求为导向、深度融合物理信息等先验知识的新一代智能理论与方法是数智流体力学发展的必然趋势, 能够从崭新的角度攻克诸多复杂多变的流体力学关键问题.     

现代流体力学发展的回顾与展望

回顾流体力学发展的历史。概述迄今在其各个分支领域中已取得的主要成就以及力学大师,中国老一辈科学家的重要贡献。分析不同时期的发展特点,尤其是近３０年来,由于计算流体力学日臻成熟,非线性力学取得重大进展,新兴学科分支不断涌现,形成了现代流体力学的发展阶段。展望在２１世纪,流体力学的基础研究和应用研究必将在经济建设和社会发展的各个方面发挥重要作用。     

多传感器数据融合时权的最优分配原则

对多个同类传感器的输出数据进行融合时多采用和权平均法,权的分配对融合效果的影响十分明显。作利用多元统计理论分析了权的分配对融合精度的影响,推导出了权的最优分配原则,并采用多个陀螺仪对某一旋转角速度的实际测量进行了仿真,实验证实这种权的分配原则是最优的。     

面向EUV光源的实验流体力学研究进展

EUV (极紫外)光源是EUV光刻机的核心部件, 其原理是基于纳秒脉冲激光轰击锡液滴靶产生的等离子体辐射发光. EUV光源本质是一种流体光源, 涉及丰富而复杂的流体力学基本问题, 跨越从皮秒到毫秒的四个特征时间尺度. 本文综述了面向EUV光源的实验流体力学研究进展. 首先根据靶的类型, 分别介绍了射流、液滴和液膜靶的生成与调控基本原理和技术路线. 之后对三种靶与激光相互作用过程的特征时刻与典型现象进行了梳理, 重点放在各个特征时间尺度内激光轰击液滴靶的研究进展, 总结了不同参数激光脉冲轰击后靶的推进、变形和破碎规律. 最后对EUV光源中值得重点关注的实验流体力学关键问题进行了总结和展望, 提出改善激光等离子体EUV光源稳定性、亮度和寿命需要从以下三方面持续开展研究: 高频率、小直径、长间距液滴靶串的精准生成和调控, 激光辐照产生等离子体的膨胀和辐射规律, 以及液滴靶变形破碎机理和碎屑抑制、收集及清洁技术.     

面向实战化需求的流体力学教学改革与实践

流体力学课程理论性强、内容抽象、枯燥难懂,传统教学内容缺乏与实战化内容的联系,学员学习目标不明确,理论性与实战性分离,因而学员的主体性和教学内容的高阶性不足。为了解决学员学习兴趣不高、动力不足的问题,面向实战化教学需求,在教学内容上发展了“四个引入”理念,即引入流动现象、军事应用、科研成果、思想方法,在教学模式上提出了具体实施的“六个环节”,即设疑、分析、释疑、拓展、应用、创新,通过理论与实际相结合,搭建起了课堂与战场之间的桥梁。提升了学员学习动力和兴趣,改善了教学效果。

     

多介质流体力学计算的谱体积方法

针对高维及多物理耦合计算耗费大等困难,设计适合多介质流动模拟的模板紧致、易于并行、高阶精度、计算耗费小的谱体积方法。该方法是求解双曲型守恒率谱体积方法的直接推广,针对多介质流动物质界面捕捉的困难,利用拟守恒格式的思想避免物质界面处的非物理振荡。数值模拟结果表明,本方法具有高阶精度、高分辨率,且节约计算量,并且可以有效避免物质界面处非物理振荡。     

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台：SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。     

基于多源数据融合方法的龙卷风切向速度预测

龙卷风具有作用范围小、持续时间短、作用强度大的特点,是自然灾害中破坏力最大的灾害之一．受限于龙卷风危险性及发生发展时空随机性,现场实测数据过于稀缺且难以收集近地面区域风场数据．鉴于此,提出了基于神经网络模型的数据融合方法,实现不同来源风场数据的融合,并对模型预测效果及泛化能力进行验证．在此基础上,对龙卷风切向速度场进行了预测．研究表明：在低涡流比龙卷风预测中,实测数据的驱动模型平均误差在35%以上,而采用数据融合驱动模型平均误差为14%以下,表明融合模型具有较好的预测精度．在高涡流比龙卷风预测中,实测数据驱动模型平均误差在28%左右,而数据融合驱动模型平均误差在10%以下,表明数据融合模型在预测高涡流比时仍保持较高精度,具有较好泛化性．融合模型重构的低涡流比风场涡核为破裂状,高涡流比风场核心区域风速明显增加,且近地面风速覆盖范围增加．该模型能获取近地面及涡核中心附近处的风场数据,同时提高了龙卷风风场空间分辨率,为龙卷风环境下结构抗风实践提供重要支撑．     

多源多精度数据融合与气动特性智能外推

在虚拟飞行试验和飞行器优化设计中, 高维高精度的计算往往伴随着高昂的计算成本. 代理模型可以大幅度提高计算效率, 同时具备对多源多精度数据的融合能力, 可基于离散试验数据点进行气动特性校正. 基于此目的, 将控制方程向低维空间投影, 提出一种侵入式降阶的边界层修正算法, 在保证精度同时高效地实现采样数据库的扩充, 在此基础上构建的代理模型能够提升对飞行器阻力系数的预测精度. 其次, 通过在降阶模型中融合多源离散试验数据, 基于最小二乘的思想引入边界约束, 使得代理模型对物面压力分布特性的预测更加贴合给定的试验值. 随后构建Kriging桥函数, 将局部约束外推至整个物面, 实现物面任意位置压力和热流分布修正值的智能匹配, 为多源离散约束的融合提供一种新的算法. 上述方法在二维翼型和三维钝锥以及无舵飞行器中得到验证, 结果表明多精度数据融合算法构造的代理模型相比于单一精度源的代理模型预测流场残差更小, 阻力系数预测更为精准, 且当无黏采样的外场信息足够充足时, 多精度模型预测结果可与CFD计算结果基本无异. 进一步发展的多源数据融合算法和气动特性智能外推算法可充分融合离散点试验数据, 改善物面压力分布和热流分布的预测结果.     

一种有效的不同类型传感器多目标跟踪融合算法

提出了不同类型传感器多目标跟踪的一种改进的分层融合算法，该算法不仅适合于不同类型同步数据融合，而且适合于不同类型传感器异步数据融合。仿真结果显示了该融合算法的有效性。     

磁驱动等熵压缩实验构形的磁流体力学计算模拟

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS 的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩（ICE） 实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形（台阶靶） 运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流（电压） 数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟. 介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3 种性能不同材料的台阶靶样品ICE 实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面（或光学窗口界面） 速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义. 旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.     

基于多平台和多手段融合的混合案例教学——安全工程专业工程流体力学教学模式探讨

比较传统教学与在线教学各自的优势与劣势,对安全工程专业工程流体力学专业基础课展开教学模式探讨,提出在沟通的基础上多种平台结合开展线上线下混合教学,同时通过多种手段融合、多学科交叉进行案例教学设计,不断提高教学质量,以OBE理念为核心从而实现工程流体力学作为专业基础课桥梁课程的教学目标并取得了较好的教学效果.     

虚拟仿真驱动的混合式流体力学实验教学方法探索

为满足教学模式由线下转向线上过程中的需求,在Unity3D环境下开发了虚拟仿真实验平台。该平台借助输入输出、动画模拟、人机交互等技术手段,以三维情景和动画等形式,真实、生动地展示了流体力学原理及其工程应用。利用实物实验和虚拟实验的优势,构建了虚实深度融合、线上线下并行的混合式实验教学体系。实践应用表明,该体系拓展了学生的学习方式和学习空间,提供了场景化、交互式的教学模式,有助于能动专业人才的培养。     

运用多媒体进行流体力学教学的体会

本文介绍北京大学力学系在本科生流体力学课程中运用多媒体进行教学的情况和学生的反映．作者体会到：多媒体教学应该是常规教学的一种精彩的补充,但是不应该、也不能够完全代替常规教学．那些难以用语言描述的动态物理图像,采用多媒体演示的效果最好;播放的内容一定要严格精选,灵活使用,力求紧密配合教学大纲;要把多媒体教学与其它教学手段有机地结合起来,取长补短,相辅相成     

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面：能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。     

运用多媒体进行流行流体力学教学的体会

本文介绍北京大学力学系在本科生流体力学课程中运用多媒体进行教学的情况和学生的反映.作者体会到:多媒体教学应该是常规教学的一种精彩的补充,但是不应该、也不能够完全代替常规教学.那些难以用语言描述的动态物理图像,采用多媒体演示的效果最好;播放的内容一定要严格精选,灵活使用,力求紧密配合教学大纲;要把多媒体教学与其它教学手段有机地结合起来,取长补短,相辅相成.     

面向大场景的LiDAR-IMU-RTK融合SLAM方法

针对激光雷达(LiDAR)在大场景下同步定位与建图(SLAM)存在易退化和稳健性不佳的问题,提出了一种融合LiDAR、惯性测量单元(IMU)和实时动态差分定位设备(RTK)这三种传感器观测值的SLAM算法.为获得准确的优化初值并减少误差,利用多普勒测速方式解算初始全局姿态,并完成多源信息的空间基准统一.为适应复杂场景的连续定位,设计了一种动态调整各自权重与优化模式的因子图优化框架,融合了激光雷达里程计帧间约束、IMU预积分因子和RTK全局约束.在RTK遮挡、点云退化等各种城市环境中,实现了高精度定位和建图效果.实验结果表明,与LIO-SAM融合相同传感器信息相比,所提算法在RTK遮挡环境下的定位精度(均方根误差)提升了 65.8％.此外,在长距离车载实验中,系统具有良好的鲁棒性,且定位精度达到分米级.     

我国流体力学青年学者的一些研究与思考

简要介绍了全国流体力学青年研讨会的二十年历程,重点介绍了第十届全国流体力学青年研讨会的会议举办情况,对参加此次研讨会的各位专家、学者所做的报告内容进行了综述,并给出了一些建设性的意见和建议.     

张国藩教授及其对流体力学的研究

介绍了力学家张国藩教授的人生经历,以及张国藩教授在流体力学方面的研究工作.     

一类生物流体力学连续系统的分岔研究

连续动力系统的非线性动力学研究,由于其应用的广泛性与问题的复杂性,近年来越来越受到重视.本文对一类生物流体力学中的连续系统--动脉局部狭窄时血液流动的分岔特性进行了研究,采用有限差分方法,将由偏微分方程组描述的连续动力系统约化为由常微分方程组描述的高维离散动力系统.求得了离散动力系统的平衡解并分析其稳定性,同时讨论了流场中变量空间分布的变化情况.求得了离散动力系统的前三个Lyapunov指数,以此作为系统是否发生混沌的判别条件.