基于组合神经网络的雷诺平均湍流模型多次修正方法

求解雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程依然是工程应用中有效且实用的方法, 但对雷诺应力建模的不确定性会导致该方法的预测精度具有很大差异. 随着人工智能的发展, 湍流闭合模型结合机器学习元素的数据驱动方法被认为是提高RANS模型预测性能的有效手段, 然而这种数据驱动方法的稳定性和预测精度仍有待进一步提高. 本文通过构建一个全连接神经网络对RANS方程中的涡黏系数进行预测以实现雷诺应力的隐式求解,该神经网络记作涡黏系数神经网络(eddy viscosity neural network, EVNN). 此外, 也使用张量基神经网络(tensor basis neural network, TBNN)预测未封闭量与解析量之间的高阶涡黏关系, 并利用基张量保证伽利略不变性. 最后, 采用多次修正的策略实现修正模型对流场预测的精度闭环. 上述方法使用大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法产生的高保真数据, 以及RANS模拟获得的基线数据对由EVNN和TBNN组合的神经网络进行训练, 然后用训练好的模型预测新的RANS模拟的流场. 通过与高保真LES结果进行对比, 结果表明, 相比于原始RANS模型, 修正模型对后验速度场、下壁面平均压力系数和摩擦力系数的预测精度均有较大提升. 可以发现对雷诺应力线性部分的隐式处理可以增强数值求解的稳定性, 对雷诺应力非线性部分的修正可以提升模型对流场各向异性特征预测的性能, 并且多次修正后的模型表现出更高的预测精度. 因此, 该算法在数据驱动湍流建模和工程应用中具有很大的应用潜力.      

超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟

激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题,其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学(CFD)和有限元方法,对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用CFD方法得到平板附近流场分布,利用有限元方法计算平板的温度分布,并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数,激光区域在6 Ma条件下存在温度的谷值,小于等于6 Ma条件下主要体现为冷却效应,而6 Ma以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加,使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。     

改进的物理融合神经网络在瑞利?泰勒不稳定性问题中的应用

基于相场法的物理融合神经网络PF-PINNs被成功用于两相流动的建模, 为两相流动的高精度直接数值模拟提供了全新的技术手段. 相场法作为一种新兴的界面捕捉方法, 其引入确保了界面的质量守恒, 显著提高了相界面的捕捉精度; 但是相场法中高阶导数的存在也降低了神经网络的训练速度. 为了提升计算训练过程的效率, 本文在PF-PINNS框架下, 参考深度混合残差方法MIM, 将化学能作为辅助变量以及神经网络的输出之一, 并修改了物理约束项的形式, 使辅助变量与相分数的关系式由硬约束转为了软约束. 上述两点改进显著降低了自动微分过程中计算图的规模, 节约了求导过程中的计算开销. 同时, 为了评估建立的PF-PINNS在雷诺数较高、计算量较大的场景中的建模能力, 本文将瑞利?泰勒RT不稳定性问题作为验证算例. 与高精度谱元法的定性与定量对比结果表明, 改进PF-PINNs有能力捕捉到两相界面的强非线性演化过程, 且计算精度接近传统算法, 计算结果符合物理规律. 改进前后的对比结果表明, 深度混合残差方法能够显著降低PF-PINNS的训练用时. 本文所述方法是进一步提升神经网络训练速度的重要参考资料, 并为探索高精度智能建模方法提供了全新的见解.      

中国科学院力学研究所2001年度科研状况与主要进展

2001年是跨入新世纪的第一年,也是“十五”的第一年．在此年度,力学所的科研工作在诸多层面上都取得了重要的突破和进展．     

强激光水下爆炸推进的物理机制

对激光水下聚焦爆炸推进的作用机理开展了实验测量和数值模拟研究. 实验观察到激光水下聚焦爆炸推进分为两个物理过程: (1) 强激光与铝膜相互作用诱导等离子体演化, 产生短脉冲、高幅值的等离子体压力, 并对航行体做功; (2) 激光爆炸产物气泡脉动, 对航行体继续提供推力. 另外, 实验还对不同介质中的激光推进效率以及气泡与约束壁面/自由水面相互作用的物理机制进行了研究. 发现在高阻抗环境介质、气泡受约束脉动以及近自由水面条件下, 激光爆炸推进的效率更高. 在实验的基础上, 建立了激光水下聚焦爆炸推进的物理模型, 发展了相应的耦合数值计算方法. 计算得到的气泡脉动规律及航行体运动规律与实验测量结果一致, 验证了计算的模型和方法, 为强激光水下聚焦爆炸推进机理的研究提供了一种有效的方法.      

轻质金属点阵夹层板热屈曲临界温度分析

本文针对均匀温度场下四边简支和四边固支金属点阵夹层板的临界热屈曲温度进行了求解和参数影响分析。将点阵夹芯等效为均匀连续体,并且将夹层板的剪切刚度近似为点阵夹芯的抗剪切刚度,忽略夹芯的抗弯刚度且认为夹层板主要由面板来提供抗弯刚度。对于无法获得解析解的四边固支条件,通过对未知变量进行双傅里叶展开的方法求解了Ressiner夹层板模型的临界屈曲温度,理论分析结果与有限元计算结果吻合良好。进一步分析了不同边界条件、点阵胞元构型、点阵材料相对密度、面板厚度等对临界屈曲温度的影响规律。     

中国科学院力学研究所2003年度科研进展

2003年,力学所在知识创新工程试点工作中取得了新的进展和成果．这一年有两件大事值得记忆：一是中长期发展战略规划的制定;二是抗击非典,力学所在这场战役中结合自己的工作基础,齐心协力,贡献了自己的力量.     

中国科学院力学研究所2004年科研工作总结与思考

2004年,力学所以国家科技中长期规划和中国科学院中长期科技发展规划的制定为牵引,以筹划进入中科院院“三期”创新、争取承担“十一五”国家和中科院重大科研项目为动力,持续、多层面地进行了研究所发展规划的论证．在此基础上提出了发展蓝图,即6个主要的学科方向(微重力科学和空间技术、高温气体动力学与跨大气层飞行、微尺度力学与微系统、工艺力学与材料设计、海洋与环境工程、生物力学与生物工程),4个科研平台(微重力科学平台、高超声速飞行技术平台、微／跨尺度力学平台、海洋工程研究平台)．包含的基本科学问题是复杂介质和极端条件下的力学行为．     

高速航行体水下发射水动力学研究进展

高速航行体水下发射水动力学研究,是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动,特别是空泡稳定性、溃灭等问题,是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题,归纳了主要控制参数和影响方式;之后针对非定常空化流动问题,综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法;总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律;最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.