二维非线性正交异性材料的瞬态热传导反问题研究

针对正交异性材料的二维非线性热传导反问题,本文采用顺序函数法对表面热流辨识进行了研究。在求解反问题时用到有限体积法、牛顿-拉夫逊法并引入未来时间步长的概念。在每个时间步内,将待辨识热流视为非线性方程组的未知量,通过一个迭代过程进行求解。从文中的例子可以看出,真实热流和辨识热流结果相近,从而证明了本方法在辨识二维非线性热传导反问题时是准确、稳定、有效的。     

钝体高超声速气动加热与结构热传递耦合的数值计算

气动加热与结构热传递耦合问题在航天和工程应用领域非常重要。分别采用松耦合与紧耦合方法,数值模拟了高超声速二维圆管绕流的流场与结构传热耦合的非定常过程。在紧耦合方法中,流场部分采用基于Navier Stokes方程的有限体积法,将AUSM+格式与时间方向的显式多步Runge Kutta法结合;结构传热部分采用基于二维热传导方程的Galerkin有限元法。流场与结构区通过交界面的热流和温度边界条件实现耦合。计算结果分别与实验、文献做了对比,结构内部温度变化关系以及壁面的热流分布均较好地吻合。两种耦合方式的计算结果对比表明,对于流场特征时间远小于结构传热特征时间的问题,松耦合方法计算效率高,精度与紧耦合方法接近。     

焓法模型求解相变传热问题有效性分析

首先探讨了伴有相变过程的瞬态热传导问题所具有的非线性特征.采用将分区域求解问题化为整个区域的非线性问题处理的思路,在整个区域建立统一能量方程的焓法模型求解该类传热问题.在此基础上建立了轻质相变墙体房间空气热平衡模型.采用有限差分方法对模型进行离散,并编程求解.通过与前期所建立的轻质相变墙体实验间的测试数据进行比对,结果...     

高超声速飞行器前缘流-热-固一体化计算

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结构温度场耦合交替迭代计算所带来的大量数据交换与计算,将流场与结构温度场作为一个物理场,采用统一的控制方程进行求解。采用典型高超声速绕流二维圆管稳态或非稳态流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,稳态时圆管驻点温度最高达到648 K,非稳态时的热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,由此证明了该方法的可靠性和正确性。与耦合计算方法的对比分析结果表明:该一体化求解方法所得计算结果更接近实验值,并且计算量和网格依赖性都相对较小,具有更好的稳定性和计算精度,能为高超声速飞行器一体化热防护设计提供有效的理论和技术支撑。     

高超声速圆柱绕流中驻点热流的稀薄效应

采用Fay-Riddell关系式、直接模拟Monte Carlo方法和基于直接模拟Monte Carlo流场温度的Fourier传热三种热流表达方式,分别对比研究了不同来流克努森数(Kn)和不同来流马赫数(Ma)的结果,以期从微观视角给出经典连续方法在稀薄流区高估驻点热流的新理解。结果表明,驻点热流的稀薄效应体现在三个方面:一是温度跳跃,削弱温度梯度导致驻点热流降低;二是壁面附近平动非平衡,导致Fourier热传导定律失效且高估热流;三是壁面约束,致使Fourier热传导定律在距壁面3倍分子平均自由程内高估热流。     

高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化

轨迹优化是高超声速滑翔式飞行器关键技术之一.为避免间接法求解轨迹优化问题时对初值敏感以及伪谱法求解轨迹优化问题中难以处理航路点和禁飞区等问题,提出采用基于Akima插值多项式的直接法求解高超声速滑翔式飞行器再入轨迹优化问题.以驻点热流密度最小和到达目标点时间最小为优化目标,考虑了终端约束、航路点约束、禁飞区约束、动压约束、过载约束等约束条件.仿真结果表明:采用的插值方法可以减少插值过程中的控制变量越界问题;得到的Pareto前沿具有良好的分布性,在初步设计时能够给设计者较大的选择余地;和文献中的单目标优化结果相比,本文所采用的算法也具有较好的寻优能力.     

二次流对超声速环型空气引射器真空度的影响

采用计算流体力学时间相关法求解二维轴对称Navier Stokes方程,数值模拟求解了二维轴对称超声速环型空气引射器流场。在前期工作基础上,探讨了零二次流时盲腔压强平衡的机理和二次流对引射器真空度的影响。计算表明,二次流对引射器的流场结构影响显著,与零二次流相比,少量的二次流将使引射器真空度大大下降。     

基于可视图和几何逼近算法的避障路径动态规划研究

为了满足实时仿真的需求,CGF装甲车和武装直升机等的路径规划问题都可以简化成二维平面中的路径规划问题.研究了二维平面中路径规划的核心问题--避障路径规划问题.首先以可视图法所建的求解环境为基础,将避障路径规划转化为一个多阶段决策问题,对于每一个阶段的子问题,应用改进可视图法和几何逼近算法进行求解,得出各阶段的最短路径,最后对避障路径规划进行动态规划求解.     

超声速二元机翼随机混沌运动分析

以考虑随机扰动的超声速二元机翼为研究对象,采用Kapitaniak方法对超声速二元机翼的随机混沌特性进行研究。采用三阶活塞理论推导超声速二元机翼的非线性气动力和气动力矩,建立考虑随机扰动、具有俯仰立方非线性的机翼2自由度运动微分方程,并将其写成4维状态方程的形式;采用中心流形方法对系统进行降维,将系统状态方程从4维降为2维;再联合利用累积量截断法、非高斯截断法获得系统的二维联合概率密度函数及系统的概率时差图,采用Kapitaniak方法分析系统在不同扰动强度下的随机混沌特性;采用系统响应、庞加莱截面图及最大Lyapunov指数等对系统的随机混沌特性进行验证。本研究对超声速二元机翼在复杂环境下的稳定性、安全性及响应特性等研究具有重要的促进作用。     

强迫振动法大跨度桥梁节段模型气动导数辨识

研制了桥梁节段模型颤振导数测定的二维强迫振动实验装置,采用变频调速技术实现对振动频率的控制,模型惯性力、气动力的测量采用了特殊设计的测力元件,模型运动用压电式加速度计进行测量。实验时,模型分别作单自由度的竖弯或扭转的简谐运动,通过测量模型所受到的气动力及模型位移,应用谱分析方法和非线性曲线拟合算法实现了对八个颤振气动导数的辨识,并通过平板模型实验数据与Theodorsen理想平板数据及国外文献数据对比对实验装置及辨识算法进行了检验。     

某扫雷犁电液伺服系统的模糊神经网络控制

针对某扫雷犁电液伺服系统这一典型的非线性系统,使用基于减法聚类的模糊神经网络(FNN)自学习算法设计了控制器,其中减法聚类用于确定模糊神经网络的初始结构。在网络的学习过程中,对结论参数采用最小二乘法进行辨识,对前提参数采用误差反传算法进行调整;并使用AMESim软件搭建了扫雷犁的液压系统模型,利用其接口技术实现了与Simulink的联合仿真。实验结果表明模糊神经网络控制器的控制效果要优于传统的PID控制器。     

超声速混合层发展情况的非线性时间序列分析

采用大涡模拟数值方法,模拟了具有工程应用背景的二维超声速湍流混合层,通过非线性时间序列分析伪相图、关联维数和Lyapunov指数,得到了混合层发展情况的混沌特性.结果表明,混合层中心线沿流向位置的压力伪相图可定性地表示混合层的稳定性,关联维数分布可定量描述混合层经历的线性失稳、非线性失稳和涡合并阶段等发展情况,最大Lyapunov指数分布作为关联维数分析结果的验证.对于相应的超声速混合层实验,采用非线性时间序列分析方法研究混合层发展情况具有通用性.     

基于正交最小二乘估计的非线性时间序列的预测

在对非线性时间序列的短期预测中经常采用局部线性化的预测算法 ,原有的算法使用普通最小二乘法 (LS)估计近似线性模型的参数。对于存在噪声的数据 ,该算法的数值稳定性较差。本文在对非线性空间进行局部线性化的基础上 ,采用正交最小二乘方法 (OLS)对线性模型同时进行结构选择与参数辨识 ,改善了数值的病态特性 ,增强了算法的稳定性     

用高阶高精度 WENO 格式求解二维激波附面层干扰流场

采用时间相关法求解二维 Navier-Stokes方程 ,数值模拟二维平板层流附面层与激波干扰流场 ,给出了物面压力分布和应力分布。计算中 ,对流项空间导数的差分离散采用高阶高精度 WENO格式 ,时间方向采用具有 TVD性质的 Runge-Kutta方法 ,粘性项采用二阶中心差分。所得压力分布和应力分布与国外实验结果吻合较好 ,计算实践表明高阶 WENO格式具有优异的性能 ,应用前景广阔     

考虑禁飞区的高超声速飞行器再入跟踪控制

为确立高超声速飞行器再入精确模型,参考NASA的研究数据对动力学方程中的气动参数进行拟合。基于飞行器结构的相关性质及战略应用背景,加入热流密度、动压、过载和禁飞区等参考约束的限制,融合成强非线性、复杂耦合的最优控制问题。采用改进自适应伪谱法求解模型所构建的微分方程组,通过设置自适应网格细化与配点,使单位时间内状态变量和控制变量波动过大的时间区间被进一步细划,并利用SNOPT求解器解算出符合条件的最优轨迹。设计闭环控制器,实现对最优轨迹的姿态变化的跟踪,测试系统的性能并进行评估。仿真结果表明:整个再入过程中,飞行器速度下降过程偏于平稳,再入轨迹可以满足约束条件,在避开禁飞区的同时取得最大横向航程;三通道角速度收敛可控,对姿态的跟踪较理想,控制器基本可以实现精确调姿。     

加权紧致非线性格式在热化学非平衡流数值模拟中的应用

高精度格式因其在较低的计算资源消耗下仍能保持足够的精度而在精细流动结构的模拟中具有独特优势。将显式5阶加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)引入二维高温非平衡流计算,进行自由流速度5.0~5.7 km/s的高焓风洞和高空条件下的圆柱非平衡流场数值模拟,得到正确的流场参数分布、壁面压力和壁面热流等结果与实验值吻合较好。计算结果表明,WCNS-E-5格式较2阶的MUSCL格式具有更好的热流网格收敛特性。分析并针对算例条件初步解决了高阶格式在刚性化学反应流模拟中的鲁棒性问题,为进一步采用高阶格式开展流场结构更加复杂的热化学非平衡流数值研究奠定了良好基础。     

WCNS格式在热化学非平衡流数值模拟中的应用研究

高精度格式因其在较低的计算资源消耗下仍能保持足够的精度而在精细流动结构的模拟中具有独特优势。首次将显式5阶加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)引入二维高温非平衡流计算。进行了自由流速度5.0~5.7km/s的高焓风洞和高空条件下的圆柱非平衡流场数值模拟,得到了正确的流场参数分布,壁面压力和壁面热流等结果与实验值吻合较好。计算结果表明WCNS-E-5格式较2阶的MUSCL格式具有更好的热流网格收敛特性。分析并针对算例条件初步解决了高阶格式在刚性化学反应流模拟中的鲁棒性问题,为进一步采用高阶格式开展流场结构更加复杂的热化学非平衡流数值研究奠定了良好基础。     

基于二维量度的复杂设备预防性维修决策优化

针对使用与维修具有两个测量维度的复杂设备,开展了其预防性维修决策的优化研究。基于二维量度的故障模式,给出了二维故障率的定量描述方法;分析了其预防性更换过程的基本过程,探讨了二维量度下更换周期对维修效果的影响,并从经济性角度建立了二维工龄更换费用模型;最后,采用算例的形式,对某设备维修决策同时考虑日历使用时间和行驶里程的情况,进行了二维更换间隔期的优化求解,从而验证了所建立方法与模型的实用性。     

波纹度故障下低压转子系统的非线性动力学研究

针对转子系统存在滚动轴承波纹度故障的问题,以某船用燃气轮机低压转子系统为研究对象,建立了轴承波纹度故障下的双跨三支承滚动轴承转子系统的动力学模型,并采用龙格库塔法对该系统的运动微分方程进行数值求解,研究了波纹度最大幅值和波纹度个数对系统的非线性动力学特性影响规律。结果表明:随着波纹度最大幅值的变化,系统逐渐进行周期四、周期二、一个混沌域和拟周期运动;当波纹度个数远小于或远大于滚动体个数时,系统进行单周期运动,当波纹度个数接近滚动体个数时,系统进行拟周期运动,特别是当波纹度个数是滚动体个数的整数倍时,系统的非线性动力学特性变得十分复杂。研究结果可以为滚动轴承的故障诊断提供一定的理论依据,降低轴承波纹度对低压转子系统非线性动力学特性的不良影响。     

利用阵列协方差矩阵稀疏性的到达角估计方法

为了解决传统基于阵列协方差矩阵稀疏性到达角估计方法计算复杂度高的问题,提出基于直接二维稀疏重构思想的高效到达角估计方法。该方法利用阵列输出数据的协方差矩阵构造二维稀疏表示模型,对协方差矩阵进行特征值分解以实现噪声功率估计,从而降低噪声对到达角估计的影响。在求解稀疏表示模型时,直接对该二维稀疏重构问题进行求解,避免了矩阵矢量化操作。仿真实验结果表明,该方法运行效率大大提高,并且在低快拍数、低信噪比和稀疏阵元等条件下估计性能优于传统方法。