上海电视塔球形部件的压力分布和气动力

通过风洞试验研究了上海电视塔上下球体的风压和气动力．结果表明：两球体的压力分布均不同于光滑圆球，阻力比超临界光滑圆球大得多．     

顺桨风力机塔叶干涉翼型非稳气动力时频特性

由于风力机叶片与塔筒流场相互干涉,实际气动力与理想情况存在较大差异,这种干涉作用造成的气动力差异给叶片与塔筒结构可靠性带来不可忽视的影响.以翼型DU91-W2-250为研究对象,采用瞬态数值分析与本征正交分解方法,考虑叶片和塔筒流场相互干涉作用,分析顺桨工况翼型非稳气动力时频特性及其影响规律,量化不同雷诺数下塔叶相对位置及几何参数对气动力均值、波动幅度和频率的影响程度,通过流场模态能量分布形态分析,揭示流场干涉对气动力的影响机制.结果表明,翼型气动中心至塔筒几何中心的垂直距离、水平距离以及塔筒直径相对于翼型弦长的无量纲参数y*,x*和D*对气动力均有不同程度影响,其中y*对升阻力系数均值影响最大,对频率无明显影响,y*绝对值越大,C_l均值越接近单翼型C_l值,y*绝对值越小升阻力系数波动幅度越大,y*从-12增大到12,升力系数均值最小值为-0.48,最大值为1.16;x*减小和D*增大,反向阻力均值增大,波动幅度增大,波动频率略有下降,当x*小于临界值5时,带塔翼型阻力均值反向;在计算范围内,带塔翼型升力系数均值相对于单翼型升力系数最大偏差为...     

基于CFD的气动力建模及其在气动弹性中的应用

CFD技术为带有气动力非线性的气动弹性分析提供了一种研究途径,但是基于CFD的气动弹性直接数值模拟方法的计算量很大,不便开展定性分析和参数设计.基于CFD的非定常气动力模型的降阶技术为缓解计算效率与计算精度之间的矛盾以及系统的复杂性与易分析、易设计性之间的矛盾提供了行之有效的技术途径.综述了近年来发展的两类基于CFD技术的非定常气动力降阶技术和一种非线性气动力的谐波平衡方法,以及这些方法在非线性气动弹性研究中的运用.对比了各种方法的优越性并作了进一步的展望.      

Gappy POD方法重构湍流数据的研究

Gappy POD 是一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)的数据重构方法. 本文研究了gappy POD在湍流数据重构中的应用, 主要关注了以下两个因素的影响: 第一, 数据本身的复杂程度, 即构成流场的POD模态数量; 第二, 破损区域的面积大小和几何形状. 考虑到上述因素, 本文重新严格地表述了gappy POD的重构过程, 并推导出gappy POD重构误差的公式. 论文选取旋转湍流数据为案例进行了gappy POD重构的研究, 并解释了构成gappy POD重构误差的两个部分. 第一部分来自流场POD展开的截断误差, 该截断误差会被POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的最小特征值放大. 这部分误差主要取决于流场的复杂程度, 当流场复杂程度较低时, 相应误差随采用的POD模态数目增大而减小. 当流场复杂程度较高时, 很小的POD截断误差也会导致很大的重构误差, 此时需要采用流场所有的POD模态进行重构以消除截断误差. 重构误差的第二部分来自POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的非列满秩性, 它主要取决于破损区域的面积大小和几何形状. 破损区域的面积越大, 或者破损面积相同时, 破损区域内信息所包含的相关性越大, 第二部分的重构误差越大.      

基于POD-Galerkin降维方法的热毛细对流分岔分析

作为流动与传热相互耦合的非线性过程, 热毛细对流有着复杂的转捩过程, 探究流场和温度场随参数变化而发生的分岔现象, 是热毛细对流研究的一个重要课题. 基于本征正交分解的POD-Galerkin降维方法可以通过提取特征模态, 构建低维模型, 实现流场的快速计算. 数值分岔方法可以通过求解含参数动力系统的分岔方程, 直接计算稳定解和分岔点. 探究了将直接数值模拟方法、POD-Galerkin降维方法、数值分岔方法的优势结合, 以提高热毛细对流转捩过程分析效率的可行性. 利用直接数值模拟得到的流场和温度场数据, 构建了不同体积比下, 二维有限长液层热毛细对流的POD-Galerkin低维模型, 在低维模型上采用数值积分及数值分岔方法计算了分岔点, 得到了低维方程的分岔图. 在一定参数范围内, 在低维模型上模拟热毛细对流, 对雷诺数和体积比进行参数外推, 通过与直接数值模拟的结果对比, 验证了低维模型的准确性与鲁棒性. 说明了低维方程可以定性反映原高维系统的流动特性, 而定量方面, 由低维模型和直接数值模拟计算得到的周期解频率的相对误差大约为5%. 验证了利用POD-Galerkin降维方法研究热毛细对流的可行性.      

基于随机森林算法的非定常气动力建模研究

针对现有的非定常气动力建模方法对气动弹性预测的准确性和效率问题,将随机森林算法引入非定常气动力建模研究领域,构建了基于随机森林算法的非定常气动力降阶模型。将所得模型用于预测气动弹性,选择二维NACA0012翼型进行颤振边界的预测,选用NACA64A010翼型预测LCO特性,并说明了该降阶模型建模的详细过程,将其计算结果与CFD/CSD耦合计算结果及试验结果进行了对比。研究结果表明,该模型可行、高效且精确,可以快速准确地预测飞行器气动弹性特性。     

湍流的相干结构:推演方法和结果

本文讨论壁面湍流发展的相干结构的观点.在简要的历史文献综述后,我们回顾一些基本观点, 并且介绍相干结构的思想.基于大量主要是由实验所得的结果,本文通过广泛运用的事件检 测技术,探讨湍流边界层内部和外部区域发生的现象.我们从边界层内部区域发生的现象、 边界层外部大尺度运动的发展和涡结构动力学的角度来描述流动的现象.在文章的 第2部分,介绍从背景流动中推演出湍流相干结构的各种方法以及在各种方法框架下所得到的结果, 讨论速度梯度张量不变量、压力的Hessian矩阵分析和本征正交分解等方法.每一个过程 都有``相干结构'的特定的定义,满足恰当的数学构架,并可以对湍流数据做相干结构动力 学分析.这一工作可能会对当前流体动力学家在湍流研究中用到的最新理论和技术的传播有 所贡献.     

POD降阶方法在含局部非线性悬臂梁中的适应性分析

在非线性结构的振动控制设计中结构模型的阶数不宜过高,为此,本研究以含局部非线性的悬臂梁为研究对象,开展影响POD降阶方法所得低阶模型精度的研究。着重分析了非线性强弱、降阶模型的阶数、POD模态获取源信号的激振类型、响应信号的采样频率和响应信号采样时长等因素对降阶模型响应预测精度的影响。结果表明：对于强非线性的局部非线性悬臂梁系统,POD方法同样适用;在选取源信号的激振类型时,应避免选取脉冲激励信号;响应的采样频率与时长不一定要选取过大。最后,提出了一种针对含有噪声信号应用POD方法的解决方案,可为工程应用提供有益的参考。     

基于本征正交分解的网格加筋筒壳模型降阶方法

针对网格加筋筒壳结构动力响应分析效率低的问题,论文提出了一种基于本征正交分解技术的模型降阶方法.基本思路是通过静力分析获得原模型的节点位移场并组装成快照矩阵,利用本征正交分解技术提取快照矩阵的主成分作为转换矩阵,实现模型降阶.通过算例对比验证了论文提出的降阶模型具有较高的计算精度及效率,降阶模型的低阶频率计算结果与全阶模型十分吻合,高阶频率误差仅为1.01%,而计算时间为全阶模型的0.03%.最后以自由-固支的网格加筋筒为例,采用降阶模型计算其在不同激励下的振动响应,降阶模型的计算结果与全阶模型非常吻合,计算效率有明显提升.     

PIV速度场坏矢量的本征正交分解处理技术

介绍了一种针对粒子图像测速(PIV)基于本征正交分解(POD)的速度场后处理技术.该技术改变了现在后处理技术将速度场坏矢量识别和修正分开实现的局面,通过迭代方法有效地实现了速度场坏点统一的识别和修复算法.算法利用POD分解的低阶模态信息重构出可以用于坏矢量识别的参考速度场,利用该参考速度场对全流场进行坏点识别并完成修正.通过对一套光滑的PIV速度场数据引入高斯分布的随机误差,测试验证了该POD方法的优越性.在坏矢量识别方面新方法较归一化中值检验有更高的正确性,能识别大面积出现的坏矢量区域.在坏矢量修补的插值算法中,新方法的计算效率又高于传统Gappy POD方法,且计算精度优于常见的矢量场内插数学方法.特别是在数据缺失的大连通区域,该方法对物理流场有很好的预测效果.     

RESUSPENSION METHOD FOR ROAD SURFACE DUST COLLECTION AND AERODYNAMIC SIZE DISTRIBUTION CHARACTERIZATION

1. Introduction At present, particulate matter is the primary source of urban air pollution in China (State Environmental Protec-tion Administration of China, 2003). With the increasing number of privately owned vehicles in cities, fugitive dust generated by traffic has gradually become the main source of urban particles, contributing as much as 20% to the total suspended particles (TSP) in China’s northern cities (United Nations Development Program, 2000). Surface dust on roads is resu…     

基于特征正交分解的非定常气动力建模技术

采用特征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法, 建立了基于状态空间的非定常气动力降阶模型, 并耦合结构方程, 建立了降阶的气动弹性系统, 开展了颤振分析的初步研究, 计算效率提高了2~3个数量级. 具体过程是:首先获取全阶系统的频域快照构成关联矩阵, 通过对关联矩阵进行奇异值分解提取流场模态(或流场基), 对低能量模态截断形成降阶子空间, 并将其映射到全阶系统, 从而形成基于状态空间的降阶非定常气动力模型. 对气动弹性标模AGARD445.6进行算例验证, 证明了降阶方法正确, 可以提供高效、高精度的气动弹性分析.      

STATIC AEROELASTICITY METHOD BASED ON EXTERNAL AERODYNAMIC FORCE AND STRIP METHOD

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究,发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算,气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值,弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算,由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比,验证了该方法的可行性和高效性。     

基于外部气动力和片条法的静气动弹性方法研究

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究,发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算,气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值,弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算,由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比,验证了该方法的可行性和高效性。     

低压涡轮内部流动及其气动设计研究进展

随着高空无人飞行器研究的不断升温, 高空低雷诺数条件下动力装置的研究越来越受到人们的重视.结合近年来国内外相关领域的研究工作, 对低雷诺数低压涡轮内部复杂流动机理的研究进展进行了介绍, 包括低雷诺数情况下低压涡轮内部非定常流动的特点, 叶片边界层分离及转捩现象机理, 上游周期性尾迹与下游叶片边界层相互作用机理等. 在此基础上给出了适合低雷诺数条件的低压涡轮气动设计方法:尾迹通过与边界层的相互作用, 能够抑制分离, 进而减小叶型损失, 在气动设计中有效引入非定常效应可以大幅度提高低压涡轮的气动负荷或降低气动损失, 最终达到提高性能的目的;数值及实验结果验证了这种设计方法的有效性.      

土壤水分布的孔隙尺度格子玻尔兹曼模拟研究

土壤水控制着陆地生态系统几乎所有的物理和生物化学过程,准确描述土壤中水的分布与运动状态对人类发展和生态环境保护均有重要意义.土壤水分布不仅与孔隙结构有关,而且受土壤固相表面润湿性的影响.一般对土壤水分布都是从宏观尺度进行描述,但土壤中的物理及生化过程都发生在孔隙中,从孔隙尺度分析土壤水的分布规律,有助于更准确地理解土壤...     

考虑气动参数扰动的再入轨迹快速优化方法

针对传统再入轨迹优化方法收敛速度慢、对初值敏感程度高等的局限性,提出了一种基于序列凸优化的再入轨迹快速求解方法.该方法以倾侧角的变化率作为控制量,改进了现有凸化策略,考虑到抑制数值优化过程中由于数值离散方式带来的锯齿化现象,采用 B 样条曲线离散控制量,同时为避免算法在初始猜想值附近出现伪不可行的问题,增加额外虚拟控制量,通过一种"回溯直线"搜索的方法,提高算法的稳定性、快速性和寻优结果的光滑性.为研究飞行器再入过程中的气动参数扰动问题,采用采样点少、易于实现,计算效率高的广义混沌多项式理论研究方法,建立了基于广义混沌多项式和凸优化相结合的再入轨迹鲁棒优化模型,该模型在优化过程中考虑气动参数扰动对寻优结果的影响作用,避免了传统轨迹与制导律的复杂迭代设计环节,可有效降低优化轨迹对气动参数扰动的敏感程度,在气动参数不确定条件的干扰下,依然可以保证飞行器顺利安全的完成飞行任务.最后,以美国某可重复使用飞行器的再入任务为例,验证了基于序列凸优化的再入轨迹优化方法的快速性以及鲁棒优化模型对气动参数扰动的抗干扰性能力,表明了该方法具有一定的工程应用性.      

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在风力机风轮空气动力学计算中出现一叶片径向环量分布积分方程的求解问题. 方程中的 被积函数包含待求环量的导数, 是个积分-微分方程. 给出该方程的合理解法，以获取较准确的风轮气动特性. 文中先简述了该积分-微分方程的来源. 继而给出其两种数值解法及被积函数奇异性的处理方 法. 最后将所给方法的气动计算结果与其它方法的结果作了比较，以说明所给方法的有效性. 同时还指出其不足并给出改进的预想方法.     

基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法

多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一.然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足,缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性,难以广泛应用.文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型,在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时,建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法.在发展的方法中,提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法,使代理优化算法效率进一步提高.为了验证发展方法的全面表现,将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中,并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较.结果表明,发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高,结果更好也更加可靠,并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求,证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.