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翼型流动分离的EnKF非稳态数据同化

气体物理 2024年第3期9卷 35-45页

作者：张禹瑶何创新刘应征上海交通大学机械与动力工程学院动力机械与工程教育部重点实验室上海200240 上海交通大学燃气轮机研究院上海200240

为了改善RANS模型对流动分离现象的预测性能,针对NACA0012翼型绕流,采用基于非稳态计算的集合Kalman滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)数据同化方法,结合粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)数据对SST湍流模型的模型常数进... 详细信息

为了改善RANS模型对流动分离现象的预测性能,针对NACA0012翼型绕流,采用基于非稳态计算的集合Kalman滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)数据同化方法,结合粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)数据对SST湍流模型的模型常数进行了修正,对比分析了不同模型常数扰动幅度、不同集合样本数目下稳态数据同化和非稳态数据同化的预测结果差异。研究结果表明,相对于稳态计算,非稳态计算能够增强数值模拟的稳健性,从而可以在较大的扰动幅度下,改善RANS模型的初始预测分布。稳态数据同化在模型常数扰动幅度较大或者样本数目较少时存在明显缺陷,非稳态的数据同化具有更好的鲁棒性,能够在更大扰动幅度和更少样本数下得到最优的湍流模型常数,对流场的预测更加准确。

关键词：非稳态数据同化集合Kalman滤波流动分离模型常数优化翼型

耦合粒子图像测速误差的连续伴随数据同化技术

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航空学报 2022年第5期43卷 231-242页

作者：邓志文何创新刘应征上海交通大学机械与动力工程学院动力机械与工程教育部重点实验室上海200240 上海交通大学燃气轮机研究院上海200240

提出了一种耦合粒子图像测速(PIV)实验误差的连续伴随数据同化算法,通过优化目标损失函数,增强算法在不同误差场景下的鲁棒性。为了验证该算法的有效性,先对已知PIV流场植入合成误差进行同化对比测试,继而对PIV互相关算法不同参数设置... 详细信息

提出了一种耦合粒子图像测速(PIV)实验误差的连续伴随数据同化算法,通过优化目标损失函数,增强算法在不同误差场景下的鲁棒性。为了验证该算法的有效性,先对已知PIV流场植入合成误差进行同化对比测试,继而对PIV互相关算法不同参数设置所获得的流场进行同化研究。结果表明:相比于原连续伴随数据同化,耦合PIV实验误差的同化算法能够对实验观测数据去伪存真,抗误差干扰能力明显提升,鲁棒性更强,能够对高误差场景下的流动数据进行更好地同化,准确地预测流场的真实分布规律,还原流场细节。

关键词： PIV 数据同化连续伴随算法 PIV实验误差平板绕流

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并联石墨烯热声激励器的声场建模及实验研究

实验流体力学 2023年第2期37卷 94-104页

作者：张昊原王鹏刘应征上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所上海200240 上海交通大学燃气轮机研究院上海200240

主动流动控制技术是提升航空航天飞行器气动特性的有效手段,其中激励器是这些控制技术的核心组件,如等离子体激励器、合成射流激励器以及振荡射流激励器等。本文提出了一种基于热声效应的并联石墨烯热声激励器,该激励器具有结构简单、... 详细信息

主动流动控制技术是提升航空航天飞行器气动特性的有效手段,其中激励器是这些控制技术的核心组件,如等离子体激励器、合成射流激励器以及振荡射流激励器等。本文提出了一种基于热声效应的并联石墨烯热声激励器,该激励器具有结构简单、输入功率低、控制频率宽以及结构适应性强等优点,能够适应飞行器各种复杂曲壁面安装环境和变飞行工况,具有良好的应用前景。具体而言,该热声激励器利用石墨烯材料比热容极低和热导率高的特性,通过焦耳加热原理向周围空气辐射周期性的声场以进行声激励控制。首先,通过热声理论对石墨烯热声激励器进行声场建模,建模中加入了组合声源叠加原理,优化了声波相位差和声场指向性计算方法;其次,改进了石墨热声烯激励器的电路连接方式,采用并联石墨烯薄膜有效提升了声场声压幅值;最后,搭建了石墨烯热声激励器的声压测试平台,验证并研究了并联石墨烯热声激励器的声场特征,分析了输入功率、频率、测试距离等因素的影响。

关键词：主动流动控制热声激励器石墨烯声场建模声场测量

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基于卡尔曼滤波的翼型表面压力实时重构方法

空气动力学学报 2023年第4期41卷 64-72,I0002页

作者：刘余丹周楷文刘应征温新上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 空气动力学国家重点实验室绵阳621000

为实现基于稀疏数据的翼型表面压力实时重构,提出了一种基于压缩感知与卡尔曼滤波器的数据融合方法,该方法主要包括线下建立数据库和线上实时感知两部分。首先,在线下通过粒子图像测速技术、压敏漆、计算流体力学等方法对翼型表面压力... 详细信息

为实现基于稀疏数据的翼型表面压力实时重构,提出了一种基于压缩感知与卡尔曼滤波器的数据融合方法,该方法主要包括线下建立数据库和线上实时感知两部分。首先,在线下通过粒子图像测速技术、压敏漆、计算流体力学等方法对翼型表面压力进行全场采样,并采用本征正交分解对所测得的全场压力数据进行降维,建立含有主导相干流动结构的模态数据库以及各模态时间系数之间的状态转换关系。其次,在线上基于压缩感知,利用离散压力传感器所测量数据与压力场主导模态,通过求解L1范数下的最优化问题,对各主导模态的时间系数进行初步求解。最后,将线下所得各模态时间系数之间的状态转换关系放入卡尔曼滤波器,作为其系统模型进行预测;将线上所求得各模态时间系数放入卡尔曼滤波器,作为其观测值进行校正。以CFD模拟翼型压力作为验证数据,对该方法的性能进行评估,结果显示:该方法与仅采用压缩感知进行重构对比,升力重构误差从18.15%减小至6.39%。

关键词：流场重构数据融合压缩感知卡尔曼滤波器动态模态分解

导流凸台对船舶汽轮机阀门非定常气动特性影响的DDES数值研究

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热能动力工程 2022年第11期37卷 28-35页

作者：宋鑫赵洪羽王鹏刘应征上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046

针对某船用2.5 MW汽轮机组调节阀门在小开度运行下的非定常气动特性,采用延迟分离涡模拟(DDES)开展了全三维数值模拟。重点评估了阀座表面安装导流凸台对该阀门的阀碟气动力波动和扩压管内非定常蒸汽流场的影响。研究表明:在阀门喉部上... 详细信息

针对某船用2.5 MW汽轮机组调节阀门在小开度运行下的非定常气动特性,采用延迟分离涡模拟(DDES)开展了全三维数值模拟。重点评估了阀座表面安装导流凸台对该阀门的阀碟气动力波动和扩压管内非定常蒸汽流场的影响。研究表明:在阀门喉部上游阀座处安装导流凸台后,阀门内部的主要流态从壁面分离流动转变为壁面附着流动,有效降低了阀门内的压力脉动幅值;安装导流凸台可以显著降低阀碟在轴向及侧向上的气动力波动幅值,轴向气动力波动幅值降低约51%,侧向气动力波动降低约34%。

关键词：汽轮机阀门延迟分离涡模拟非定常气动特性壁面附着流动气动力幅频波动

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串列深腔流致声共鸣特性研究

空气动力学学报 2023年第1期41卷 93-100页

作者：张正凡王鹏王炜哲刘应征上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所上海200240 上海交通大学燃气轮机研究院上海200240

深腔结构在管路中串列布置时会形成强烈的声学耦合效应,内部存在固有声学驻波模态等特征。尤其是当主管路流体掠过串列深腔结构时,前缘流动分离形成剪切涡脱,一旦与侧边腔体固有声模态达到频率锁定和相位匹配,则会产生强烈的流致声共鸣... 详细信息

深腔结构在管路中串列布置时会形成强烈的声学耦合效应,内部存在固有声学驻波模态等特征。尤其是当主管路流体掠过串列深腔结构时,前缘流动分离形成剪切涡脱,一旦与侧边腔体固有声模态达到频率锁定和相位匹配,则会产生强烈的流致声共鸣现象。本文有效结合了声模态有限元分析和传感器阵列实验测量,研究了腔体间距和来流雷诺数等对串列深腔流致声共鸣特性的影响。其中的声模态有限元分析获取了无来流状态下的串列深腔声学驻波模态的频率大小和声压空间分布;传感器阵列测量获取了来流雷诺数在(0.26~2.17)×105之间的串列深腔壁面压力脉动的幅频信息和波形规律。研究结果表明:当串列深腔处于半波长布置时,会产生最为强烈的声共鸣现象,腔体内部声压脉动处于同相位振荡模式,同时能够诱发主管路声压与腔体声压反相位振荡;其次,当串列深腔近距离布置时,腔体内部声压脉动处于反相位振荡模式;而处于其他间距布置时,未发生明显的声共鸣现象,压力脉动幅值较低。

关键词：串列深腔流致声共鸣声学驻波模态半波长布置声压相位

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基于压缩感知的高频响流场重构方法及其应用

空气动力学学报 2022年第1期40卷 26-32页

作者：陈子玉周楷文刘应征温新上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

粒子图像测速(PIV)方法具有高空间分辨率的优势,但是往往受到采样频率的限制(一般在15 Hz以下),难以完成高频响测量。压缩感知(CS)能够基于稀疏采样数据获得高频信息,但如果直接应用于所有的数据点则计算量过大。基于亚采样(sub-Nyquist... 详细信息

粒子图像测速(PIV)方法具有高空间分辨率的优势,但是往往受到采样频率的限制(一般在15 Hz以下),难以完成高频响测量。压缩感知(CS)能够基于稀疏采样数据获得高频信息,但如果直接应用于所有的数据点则计算量过大。基于亚采样(sub-Nyquist)PIV数据,本文提出了基于压缩感知和本征正交分解(POD)的高频响流场重构方法。首先采用POD对数据降维,同时获取空间模态和相应的亚采样时间系数,将亚采样时间系数作为观测值,选取适当的稀疏基,通过求解基追踪问题来计算高频响的模态系数。结合空间模态和所得到的时间分辨模态系数,可以重构高频响的非定常流场。利用该方法分别对周期性的振荡器流场和非周期性的不同直径圆柱流场进行重构,检测该方法的适应性。结果表明,压缩感知方法无需侵入式的辅助测量,可以为周期性流场提供准确的重构,重构误差低于3%,而对于非周期性复杂流场,则出现较大的高频噪声。因此,本文所提出的方法可以应用到周期性流场中以提高测量数据的时间分辨率。

关键词：粒子图像测速本征正交分解压缩感知流场重构亚采样

船舶汽轮机蒸汽管路流动噪声源的声类比计算研究

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热能动力工程 2023年第4期38卷 7-15页

作者：强旭许伟龙王鹏刘应征上海交通大学中英国际低碳学院上海201306 中国舰船研究设计中心湖北武汉430064 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

针对某船舶动力系统蒸汽调节管路在不同阀门启闭状态下的流动噪声源空间分布,开展了详细的计算气动声学数值研究工作。采用剪切应力输运湍流模型(SST,shear stress transport)获取了管内复杂三维蒸汽流场分布;结合Curle声类比模型和Prou... 详细信息

针对某船舶动力系统蒸汽调节管路在不同阀门启闭状态下的流动噪声源空间分布,开展了详细的计算气动声学数值研究工作。采用剪切应力输运湍流模型(SST,shear stress transport)获取了管内复杂三维蒸汽流场分布;结合Curle声类比模型和Proudman声类比模型分别计算得到管路壁面偶极子噪声源和管内流体域四极子噪声源分布特性。研究结果表明:相比于阀门关闭状态下的一进一出“T型”和“Z型”管路,阀门开启后的两进一出“h型”管路内流动噪声源强度上升明显;偶极子噪声源主要分布在管路汇聚处与出口弯管区域壁面,与此区域流体剪切应力相关;由于出口弯管直径突然变小,且流体流向发生变化,导致此处管内流场湍流度较高,故而产生了较为强烈的四极子噪声源。

关键词：蒸汽动力管路流动噪声源计算气动声学 Curle声类比模型 Proudman声类比模型

应用于汽轮机灵活运行的电加热系统实验与数值模拟研究

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热能动力工程 2022年第6期37卷 129-136页

作者：张栩胡怡丰周文武刘应征上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海电气电站设备有限公司汽轮机厂上海200240

为了研究不同加热功率下汽轮机开机预热所需的时间以及停机保温所需的加热功率,开展了实验及数值模拟研究。首先,为了验证数值模拟方案的有效性,针对某汽轮机控制阀门的缩比模型进行电加热实验和传热数值模拟。实验利用52个热电偶历时10... 详细信息

为了研究不同加热功率下汽轮机开机预热所需的时间以及停机保温所需的加热功率,开展了实验及数值模拟研究。首先,为了验证数值模拟方案的有效性,针对某汽轮机控制阀门的缩比模型进行电加热实验和传热数值模拟。实验利用52个热电偶历时100 h记录了电加热过程中阀门各个位置的温度变化情况,然后利用有限元分析方法对该过程进行仿真,发现模拟与实验结果吻合良好。基于阀门研究结果,同样采用有限元分析方法预测了电加热系统对某100 MW汽轮机高压部分(蒸汽关闭)的开机预热和停机保温的灵活运行效果。研究表明:对于开机预热工况,当加热系统的功率为发电功率的0.014%,0.041%和0.083%时,开机预热所需时间分别为51.4,19.5和12.1 h;对于停机保温工况,仅需以发电功率的0.011%对高压真机进行保温,则可以让其维持在阈值温度,极大提高其运行的灵活性。

关键词：汽轮机阀门灵活运行电加热系统数值模拟