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Accurately predicting hypersonic transitional flow on cone via a symmetry approach

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Chinese Journal of Aeronautics 2023年第7期36卷 337-347页

作者： weitao bi Kexin ZHENG Zhou WEI Zhensu SHE State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems and Department of Mechanics and Engineering Science College of EngineeringPeking UniversityBeijing 100871China State Key Laboratory of Aerodynamics and Computational Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development CenterMianyang 621000China

A new algebraic transition model is proposed based on a Structural Ensemble Dynamics(SED)theory of wall turbulence,for accurately predicting the hypersonic flow heat transfer on *** model defines the eddy viscosity in terms of a two-dimensional multi-regime distribution of a Stress Length(SL)function,and hence is named as *** paper presents clear evidence of precise predictions of transition onset location and peak heat flux of a wide range of hypersonic Transitional Boundary Layers(TrBL)around straight cone at zero incidence,to an unprecedented accuracy as validated by over 70 measurements for varying five crucial influential factors(Mach number,temperature ratio,cone half angle,nose Reynolds number and noise level).The results demonstrate the universality of the postulated multi-regime similarity structure,in characterizing not only the spatial non-uniform distribution of the eddy viscosity in hypersonic TrBL on cone,but also the dependence of the transition onset location on the five influential *** latter yields a novel correlation formula for transition center Reynolds number which takes similar functional form as the SL function within the symmetry *** is concluded that the SED-SL model simulates TrBL around cone with uniformly high accuracy,and then points out to an optimistic alternative way to construct hypersonic transition model.

关键词： Cones Heat flux Hypersonic boundary layers Transition flow Turbulence models

β-distribution for Reynolds stress and turbulent heat flux in relaxation turbulent boundary layer of compression ramp

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2017年第12期60卷 36-44页

作者： YanChao Hu weitao bi ShiYao Li ZhenSu She State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems and Department of Mechanics and Engineering Science College of Engineering Peking University Beijing 100871 China

A challenge in the study of turbulent boundary layers(TBLs) is to understand the non-equilibrium relaxation process after separation and reattachment due to shock-wave/boundary-layer interaction. The classical boundary layer theory cannot deal with the strong adverse pressure gradient, and hence, the computational modeling of this process remains inaccurate. Here, we report the direct numerical simulation results of the relaxation TBL behind a compression ramp, which reveal the presence of intense large-scale eddies, with significantly enhanced Reynolds stress and turbulent heat flux. A crucial finding is that the wall-normal profiles of the excess Reynolds stress and turbulent heat flux obey a β-distribution, which is a product of two power laws with respect to the wall-normal distances from the wall and from the boundary layer edge. In addition, the streamwise decays of the excess Reynolds stress and turbulent heat flux also exhibit power laws with respect to the streamwise distance from the corner of the compression ramp. These results suggest that the relaxation TBL obeys the dilation symmetry, which is a specific form of self-organization in this complex non-equilibrium flow. The β-distribution yields important hints for the development of a turbulence model.

关键词： compression ramp relaxation turbulent boundary layer Reynolds stress β-distribution symmetry

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远景摄影测量的一种标定方法及其应用

北京大学学报（自然科学版） 2006年第5期42卷 628-631页

作者：余永生毕卫涛北京大学湍流与复杂系统研究国家重点实验室北京100871

远景摄影测量物体位移时,需要标定物像之间的比例关系。标定可以通过在目标位置处放置一个已知方位角的标尺来完成,但是在实践中,标尺的放置和方位角的测量常常是有困难的。作者提出了一种利用正多边形物体进行摄影标定的方法,证明了具... 详细信息

远景摄影测量物体位移时,需要标定物像之间的比例关系。标定可以通过在目标位置处放置一个已知方位角的标尺来完成,但是在实践中,标尺的放置和方位角的测量常常是有困难的。作者提出了一种利用正多边形物体进行摄影标定的方法,证明了具有同一正投影像的正多边形是全等的。据此,可以由正多边形物体的正投影像提取原像的尺寸,实现物像关系的标定。该方法成功地应用于某标志性建筑物风致振动的现场测量。

关键词：摄影测量物像关系标定

基于结构系综理论发展可靠工程转捩模型的一种新思路

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空气动力学学报 2020年第6期38卷 1136-1148,I0003页

作者：毕卫涛唐帆胡永煌佘振苏北京大学工学院力学与工程科学系北京100871 湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871

边界层转捩是一个科学与工程难题。当代工程转捩模型建立在间歇因子的唯象演化基础上,包含大量的经验参数和关联函数,其物理意义模糊导致适用范围不明确。随着高速流动的物理新因素的增加,出现了模型复杂性迅速增长,而可靠性越来越低的... 详细信息

边界层转捩是一个科学与工程难题。当代工程转捩模型建立在间歇因子的唯象演化基础上,包含大量的经验参数和关联函数,其物理意义模糊导致适用范围不明确。随着高速流动的物理新因素的增加,出现了模型复杂性迅速增长,而可靠性越来越低的尴尬状况。根本性的瓶颈在于缺乏完整的湍流边界层理论,这一状况在壁湍流的结构系综理论诞生后出现了显著变化。该理论将固壁对湍流脉动形成的对称性约束表述为形成少数个结构系综,利用结构系综的广义拉伸对称性假设,完成了对于规范边界层平均速度和湍动能的完整剖面的统一描述,与大量实验和计算数据精确符合。将该理论应用于描述边界层的流向变化,便自然形成了从层流到过渡区再到湍流充分发展区的三系综刻画,实现了对转捩全过程的完整描述。本文提出了一个构建典型工程边界层转捩模型的新思路:依据实验和可靠的计算数据确定转捩边界层的流向结构系综,提炼反映转捩边界层物理状态和相似性的多层结构参数,进而形成物理图像清晰、定量描述精确的新型转捩模型。针对自由来流湍流诱发的平板边界层强迫转捩和有攻角的高超声速尖锥转捩两类流动,证明了上述思路的可行性,获得了对大湍流度下平板转捩的全分量、全流域的精准理论描述。将所发展的SED-SL代数转捩模型应用到高超声速尖锥的计算,得到了与实验一致的计算结果。通过细致刻画边界层流动的多层结构系综,有望推动转捩模型研究进入一个物理化、精确化的新阶段。

关键词：边界层转捩转捩模型结构系综理论湍动能尖锥

神经网络增强SED-SL建模应用于翼型绕流湍流计算

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Acta Mechanica Sinica 2024年第3期40卷 72-86页

作者：黄文霄刘溢浪毕卫涛高毅卓陈军 State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems College of EngineeringPeking UniversityBeijing100871China School of Aeronautics Northwestern Polytechnical UniversityXi’an710072China School of Aeronautic Science and Engineering Beihang UniversityBeijing100191China

本文采用SED-SL-RBF的新型建模方法,利用有限NACA机翼的空气动力学数据增强了SED-SL(壁湍流的结构系综动力学-应力长)模型,构建了机翼上湍流边界层的多层结构(MLS),并利用机器学习从实验数据中重建模型参数.该方法应用于九种不同类型的N... 详细信息

本文采用SED-SL-RBF的新型建模方法,利用有限NACA机翼的空气动力学数据增强了SED-SL(壁湍流的结构系综动力学-应力长)模型,构建了机翼上湍流边界层的多层结构(MLS),并利用机器学习从实验数据中重建模型参数.该方法应用于九种不同类型的NACA机翼上的湍流,具有广泛的雷诺数和攻角范围.研究采用RBF(径向基函数)神经网络重建模型参数(l^(∞)_(0)和y^(∞)_(buf)),并将其应用于SED-SL的CFD数值计算.相较Menter SST湍流模型,SED-SL-RBF模型提升了在同样几何形状和流动条件下升力和阻力系数的预测精度.预测升力系数C_(L)的精确度超过了95%,而预测阻力系数C_(D)的误差则小于6 count.神经网络增强的SED-SL模型对压力场的预测精度也非常高.NACA 2421的MLS参数表现出不随攻角变化的相似性,并可视其为由雷诺数刻画的函数.该结果表明,NACA2421的MLS参数与失速前的攻角大小无关.该相似行为为模拟各种物理条件下的机翼流动提供了一种可行的方案.未来期望整合数据以揭示模型参数方面的模型内在差异,从而将SED-SL-RBF模型的适用性扩展到更广泛的流动场景.

关键词： Structural ensemble dynamics RANS model Turbulent boundary layer Machine learning Neural network

维普期刊数据库评论

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气泡混合轻质土在黄土地区公路工程中的应用

山西建筑 2016年第27期42卷 132-133页

作者：毕伟涛陕西通宇新材料有限公司陕西西安710077

介绍了气泡混合轻质土的性能,从淤地坝地基、高填方黄土路基、台背回填、山区路基四方面,阐述了气泡混合轻质土在黄土地区公路工程中的应用,指出气泡混合轻质土具有高强性、耐久性、低碳环保等优点,应用前景广阔。

关键词：气泡混合轻质土公路工程路基黄土地区

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应用结构系综理论发展壁湍流工程湍流模型

中国科学：物理学、力学、天文学 2015年第12期45卷 12-29页

作者：佘振苏陈曦未波波邹鸿岳毕卫涛湍流与复杂系统国家重点实验室、北京大学工学院力学与工程科学系北京 100871

本文综述结构系综理论(Structural Ensemble Dynamics,SED)在湍流模型研究上的进展.SED研究壁湍流在系综统计层面的对称性规律.借助反映系统对称性变化的序函数新概念,SED给出了壁湍流平均场的解析刻画,为分析和修正湍流模型奠定了基础... 详细信息

本文综述结构系综理论(Structural Ensemble Dynamics,SED)在湍流模型研究上的进展.SED研究壁湍流在系综统计层面的对称性规律.借助反映系统对称性变化的序函数新概念,SED给出了壁湍流平均场的解析刻画,为分析和修正湍流模型奠定了基础.本文以k-?模型和Baldwin&Lomax(BL)模型为例,展示了将SED应用到发展壁湍流工程模型.新的SED-k-?模型首次实现了对圆管平均速度和(流向)湍动能剖面的同时精确预测(精度高于99%).该结果一方面支撑了新近提出的0.45的普适卡门常数,另一方面确认了存在一个中间层,对应于最近学界广泛关注的湍动能第二峰值.SED-stress-length模型给出了不同马赫数下平板湍流边界层平均速度和温度(密度)剖面的高精度预测,比BL模型提高了近十个百分点.以上结果提供了湍流模型研究的新框架,即通过参照SED对模型背后的多层结构图像进行定量修正,由此大幅提高预测精度,尤其是把模型经验参数用具有明确物理意义的多层结构参数解析表达,从而有望解决复杂流动计算时参数调节的核心困难.

关键词：结构系综理论湍流模型 k-w模型 BL模型壁湍流

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八层预应力碳纤维复合材料张拉工艺研究

青海交通科技 2016年第6期28卷 93-99,104页

作者：毕伟涛李春轩陕西通宇新材料有限公司西安710077

对预应力碳纤维复合材料所用碳纤维胶的指触表干时间进行研究,将所得结果运用到预应力碳纤维复合材料张拉工艺中。设计了8组不同环境和不同张拉工艺下八层预应力碳纤维复合材料张拉试验,研究了其伸长量、颈缩量的变化规律。结果表明:预... 详细信息

对预应力碳纤维复合材料所用碳纤维胶的指触表干时间进行研究,将所得结果运用到预应力碳纤维复合材料张拉工艺中。设计了8组不同环境和不同张拉工艺下八层预应力碳纤维复合材料张拉试验,研究了其伸长量、颈缩量的变化规律。结果表明:预应力碳纤维复合材料所用碳纤维胶指触表干时间随温度的变化影响较大,预应力碳纤维复合材料预应力张拉需在碳纤维胶指触表干并有一定抗压强度之后进行,此时其颈缩量最小,伸长量随张拉力值的变化呈线性变化,预应力张拉之后不会出现断丝、局部破坏等现象。

关键词：预应力碳纤维布复合材料张拉工艺

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从根子上实现气动计算湍流模型的突破

中国基础科学 2013年第4期15卷 3-12,2+65页

作者：佘振苏陈曦毕卫涛陈军湍流与复杂系统国家重点实验室(北京大学) 北京100871

湍流是制约我国航空航天飞行器设计的卡脖子问题。在计算流体动力学(CFD)日益成为飞行器设计的主要手段时,如何构建湍流的数学物理模型是最突出的基础科学难题。我们以复杂系统的新认识为基础,从理论、实验、计算等多方面形成一个突破... 详细信息

湍流是制约我国航空航天飞行器设计的卡脖子问题。在计算流体动力学(CFD)日益成为飞行器设计的主要手段时,如何构建湍流的数学物理模型是最突出的基础科学难题。我们以复杂系统的新认识为基础,从理论、实验、计算等多方面形成一个突破湍流世纪难题的新思路。理论上,我们构建了结构系综理论新框架,在物理思想上将经典的朗道平均场理论推广到非平衡系统,形成基于广义李群变换的多层结构模型;在方法上创新发展了序函数分析方法,从精确数值模拟和实验测量的经验数据中提炼湍流场的物理结构参数。这一工作在探索飞行器相关的壁湍流的物理对称性原理方面取得了圆满的成功,首次获得规范壁湍流的解析解,确认了新的普适卡门常数0.45。同时,我们以钱学森系统工程的思想为指导,组织了湍流实验和计算平台的建设,针对飞行器典型流场实现了实验、计算和理论的联合攻关,并组织实施了工程计算平台的建设。这些努力为新一代工程湍流模型的研制奠定了坚实的基础。

关键词：湍流计算流体动力学壁湍流结构系综理论对称性原理工程湍流模型