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面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化及应用

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推进技术 2024年第8期45卷 44-55页

作者：杨茂桃郭明明田野易淼荣乐嘉陵张华西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒... 详细信息

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒子群优化算法近似获取参数的最大似然估计并进行参数验证。结果表明,通过校准大角度(24°)压缩拐角获取的湍流模型参数,可以应用到相同条件下相对较小的小角度(20°,16°和8°)压缩拐角,获取的壁面压力、摩阻系数和速度剖面均与试验值基本吻合。在Ma=2.85下校准的壁面压力,均方根误差由60.29%下降到16.56%。将大角度下获取的参数应用到Ma=2.9和不同的入射边界层厚度的条件下,获取的壁面压力和速度剖面仍与试验值基本吻合,验证了小范围马赫数内湍流模型参数的适用性。

关键词：激波/边界层干扰数据同化 SST湍流模型贝叶斯优化参数辨识普适性分析

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超燃冲压发动机燃烧室流场超分辨率重建

推进技术 2024年第1期45卷 174-184页

作者：陈皓郭明明田野乐嘉陵张华岳茂雄西南科技大学信息工程学院四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

超声速燃烧室受限空间内复杂流场波系结构的获取受到光学测量装置精度的制约。为提升流场时空分辨率特征,本文应用中国空气动力研究与发展中心地面脉冲燃烧风洞获取的试验数据,在发动机入口马赫数2.5的条件下,构建了6种不同当量比下基... 详细信息

超声速燃烧室受限空间内复杂流场波系结构的获取受到光学测量装置精度的制约。为提升流场时空分辨率特征,本文应用中国空气动力研究与发展中心地面脉冲燃烧风洞获取的试验数据,在发动机入口马赫数2.5的条件下,构建了6种不同当量比下基于压力数据重构的燃烧室流场低分辨率图像数据集,研究了三种提高图像分辨率的方法来提升超燃冲压发动机燃烧室流场重构图像的分辨率。结果表明,本文所提出的流场超分辨率稠密网络(Flow-field Super-Resolution Dense Network,FSRDN)、流场超分辨率生成对抗网络(Flow-field Super-Resolution Generative Adversarial Network,FSRGAN)、传统的双三次插值法(Bicubic interpolation,Bicubic)对流场图像分辨率都提高了4^(2)倍。FSRDN网络所得流场图像结果的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)、相关性系数(Correlation coefficient,CORR)、感知指数(Perceptual Index,PI)指标均优于双三次插值法,但实际图像存在过于平滑的现象。FSRGAN网络所得流场结果消除了图像平滑现象,使流场图像的细节更加丰富,大幅度优化了PI指标,对燃烧室内的剪切层、斜激波、分离激波等主要波系结构的清晰度有了极大的增强作用。

关键词：超燃冲压发动机燃烧室双三次插值超分辨率生成对抗网络

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超燃燃烧室中燃烧反应区域变化情况试验

航空动力学报 2023年第10期38卷 2370-2382页

作者：何赞乐嘉陵田野钟富宇中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所四川绵阳621000

运用试验的方式在来流马赫数为2.5的条件下研究了气态燃料在直连式凹腔燃烧室内的燃烧过程,结合壁面压力测量以及OH-PLIF(OH-平面激光诱导荧光系统)方法分析了乙烯燃料在点火后1 ms内的燃烧反应区域发展过程和氢气燃料在稳焰时1 ms内的... 详细信息

运用试验的方式在来流马赫数为2.5的条件下研究了气态燃料在直连式凹腔燃烧室内的燃烧过程,结合壁面压力测量以及OH-PLIF(OH-平面激光诱导荧光系统)方法分析了乙烯燃料在点火后1 ms内的燃烧反应区域发展过程和氢气燃料在稳焰时1 ms内的燃烧反应区域变化过程。结果表明凹腔后缘斜坡对于气态燃料的火焰传播起重要作用,初始燃烧区域在随来流到达后斜坡后会减速滞留,为附近的燃料提供适宜的点火环境。凹腔剪切层对气态燃料的稳焰燃烧起重要作用,剪切层内始终部分存在剧烈燃烧反应区域,这将为凹腔内部源源不断地提供点火能量,为维持凹腔内部燃料持续点火燃烧提供能源支撑。试验测得乙烯初始燃烧反应区域向凹腔上游的发展速度约为170 m/s。

关键词：超燃燃烧室氢气乙烯平面激光诱导荧光系统(PLIF) 燃烧反应区域

基于POD-PCE-Kriging模型的航空发动机高维多目标优化

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航空动力学报 2023年第7期38卷 1604-1614页

作者：马跃郭明明孙博伦田野宋文艳乐嘉陵西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010 中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室四川绵阳621000 西北工业大学动力与能源学院西安710129

针对于传统的航空发动机燃烧室设计过程计算周期长,加工和试验成本高,制约发动机设计周期的问题,基于航空发动机燃烧室模型,结合POD-PCE-Kriging(本征正交分解-多项式混沌展开-Kriging)模型和粒子群优化(PSO)算法开展了燃烧性能代理模... 详细信息

针对于传统的航空发动机燃烧室设计过程计算周期长,加工和试验成本高,制约发动机设计周期的问题,基于航空发动机燃烧室模型,结合POD-PCE-Kriging(本征正交分解-多项式混沌展开-Kriging)模型和粒子群优化(PSO)算法开展了燃烧性能代理模型的构建和多目标优化设计。通过试验,应用POD-PCE-Kriging模型预测结果与一维程序计算结果进行对比分析,针对于燃烧效率和总压损失预测值的方均根误差分别为0.006 3%和0.122 7%。对设计变量参数开展寻优,并对获取的Pareto最优解集进行了分析,为满足性能指标的先进航空发动机燃烧室设计提供了物理见解,可以快速准确获得满足最优性能的设计参数,缩短航空发动机的研制周期。

关键词：航空发动机燃烧室设计代理模型 POD-PCE-Kriging模型粒子群优化算法多目标优化

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吸气式高超声速技术研究进展

推进技术 2010年第6期31卷 641-649页

作者：乐嘉陵中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

总结了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)在吸气式高超声速技术在试验设备、超燃冲压发动机、数值模拟以及机体/推进一体化飞行器等方面的研究进展。介绍了三种类型的高焓设备:脉冲式燃烧加热风洞、连续式燃烧加热风洞和电弧风洞。通... 详细信息

总结了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)在吸气式高超声速技术在试验设备、超燃冲压发动机、数值模拟以及机体/推进一体化飞行器等方面的研究进展。介绍了三种类型的高焓设备:脉冲式燃烧加热风洞、连续式燃烧加热风洞和电弧风洞。通过多种尺度的超燃冲压发动机的直连式和自由射流式试验,获得了发动机的基本性能及其随油气比、喷孔位置等的变化规律。对比连续式和脉冲式风洞试验结果,得知工作时间大于100 ms的脉冲式燃烧设备是开展发动机基本性能研究的经济、高效试验手段。成功研制了三维大规模并行数值模拟软件平台AHL3D并广泛应用于发动机研究。在0.6 m风洞中,完成了1.5 m带动力飞行器试验,获得了发动机工作和不工作状态下的飞行器推阻及升力特性。

关键词：吸气式发动机高超声速技术冲压发动机流体力学一体化设计研究进展

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基于CFD的电磁散射数值模拟

空气动力学学报 2004年第2期22卷 185-189页

作者：许勇乐嘉陵中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格... 详细信息

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法。TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法。

关键词： CFD 电磁散射数值模拟计算流体力学时域有限体积法雷达散射截面

乙烯燃料超燃燃烧室流动特性与燃烧稳定性研究

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力学学报 2022年第3期54卷 612-621页

作者：时文田野郭明明刘源张辰琳钟富宇乐嘉陵中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室四川绵阳621000 西南科技大学信息工程学院四川绵阳621000 沈阳飞机设计研究所沈阳110035

在低飞行马赫数条件下,乙烯燃料超燃冲压发动机为实现成功点火及稳定燃烧,常使用先锋氢引燃乙烯,本文通过试验研究了多种喷注方案下的超燃燃烧室流动特性、火焰传播特性及燃烧稳定性,喷注方案包括单先锋氢、单乙烯和组合喷注方式.超燃... 详细信息

在低飞行马赫数条件下,乙烯燃料超燃冲压发动机为实现成功点火及稳定燃烧,常使用先锋氢引燃乙烯,本文通过试验研究了多种喷注方案下的超燃燃烧室流动特性、火焰传播特性及燃烧稳定性,喷注方案包括单先锋氢、单乙烯和组合喷注方式.超燃燃烧室入口马赫数为2.0,总温为953 K,总压为0.82 MPa.多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、CH自发光照相和OH-PLIF,并使用10 kHz的压力传感器来采集燃烧室上壁面中线处压力.结果表明:在无燃料喷注情况下,发动机内流场会以约450 Hz的主频振荡;在有燃料喷注情况下,凹腔上游喷注方式会抑制振荡,而凹腔台阶下游喷注方式对流场振荡影响较小.OH-PLIF图像结果表明:先锋火焰是不稳定的,当先锋氢在凹腔上游喷注时,先锋火焰主要集中于凹腔中后部,OH基在凹腔中部重复地集聚与扩散;当先锋氢在凹腔台阶下游喷注时,先锋火焰呈破碎状分布于剪切层内,且凹腔后斜坡处无燃烧.燃料组合喷注时,燃烧也是不稳定的.先锋氢关闭后,火焰从凹腔中部后移至凹腔后斜坡处,且火焰形态稳定,组合喷注时的燃烧不稳定现象源于先锋氢燃烧的不稳定性.

关键词：乙烯先锋氢振荡主频燃烧稳定性

基于“分段-组合”残差神经网络的超声速氢气零维点火计算方法

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推进技术 2023年第12期44卷 91-101页

作者：陈尔达宋昊宇郭明明田野乐嘉陵张华西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

受限于发动机燃烧数值模拟需要长时间超级计算机运行的问题,发展了一种基于“分段-组合”残差神经网络的氢气零维点火计算方法。以氢气零维点火算例为基础,基于自主研发的高超声速内外流耦合数值模拟软件AHL3D构建数据集。数据集中输入... 详细信息

受限于发动机燃烧数值模拟需要长时间超级计算机运行的问题,发展了一种基于“分段-组合”残差神经网络的氢气零维点火计算方法。以氢气零维点火算例为基础,基于自主研发的高超声速内外流耦合数值模拟软件AHL3D构建数据集。数据集中输入变量为超声速工况下的温度、压强及8种组分质量分数的初始状态值,输出变量为3000个时刻点的温度、压强及8种组分质量分数状态值。构建了一种“分段”训练、“组合”预测的残差神经网络框架。算法首先将高维输入数据进行降维训练,再将“分段”模型预测后的参数冻结形成“组合”模型。与氢燃料直接计算相比,实验结果表明“分段-组合”残差神经网络可显著提升计算效率,对于11组分29反应的反应动力学模型可获得9.13倍的计算加速比,均方根误差降到了7.85×10^(-5),氢燃料参数的预测精度都高于98%,计算效率及精度优于现有的神经网络燃烧计算方法。

关键词： “分段-组合”模型残差神经网络零维点火数值模拟计算加速

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卷积神经网络在流场重构研究中的进展

力学学报 2022年第9期54卷 2343-2360页

作者：陈皓郭明明田野陈尔达邓雪乐嘉陵李林静西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

近年来,随着深度学习在图像处理、语音识别、自动驾驶、自然语言处理等领域迅速发展,该技术也被越来越广泛地应用于处理具有复杂非线性、高维度、大数据量等特点的流体力学方向.传统的方法无法有效地处理这些庞大的数据,深度学习因其具... 详细信息

近年来,随着深度学习在图像处理、语音识别、自动驾驶、自然语言处理等领域迅速发展,该技术也被越来越广泛地应用于处理具有复杂非线性、高维度、大数据量等特点的流体力学方向.传统的方法无法有效地处理这些庞大的数据,深度学习因其具有强大的函数拟合能力,可以从大量的数据中挖掘有用的信息.当前,流体力学深度学习技术有了初步的一些研究成果,在流动信息特征提取、多源数据信息融合及流场的智能重构等方面具有重要的工程价值,其应用潜力逐渐得到证实.如何利用地面风洞试验、数值模拟及飞行试验获取的数据进行深入挖掘,快速智能感知及重构流场,可为主动流动控制提供重要指导.本文主要从深度学习不同类型的网络结构出发探讨了卷积神经网络在流场重构中的研究进展,文章首先介绍卷积神经网络的一些基本概念以及基本网络结构,之后简要介绍流场超分辨率重构网络、端到端的映射网络、长短期记忆网络的基本结构与理论,并详细归纳出他们的改进形式在流场重构领域的一系列研究进展与成果,最后对文章做出总结并探讨了流场重构深度学习技术所面临的挑战与展望.

关键词：卷积神经网络超分辨率长短期记忆流场重构