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基于最小熵增原理的分离诱导的激波反射结构研究

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基于最小熵增原理的分离诱导的激波反射结构研究

作者：杨馨南京航空航天大学

学位级别：硕士

分离诱导的激波反射结构在高超声速飞行器的推进系统的内流场中广泛存在,这种流场结构容易受到外部因素的影响,导致其自身的流动参数变化剧烈,这种情况会对飞行器的推进系统性能产生不利的影响。因此,有必要对分离诱导的激波反射结构进... 详细信息

分离诱导的激波反射结构在高超声速飞行器的推进系统的内流场中广泛存在,这种流场结构容易受到外部因素的影响,导致其自身的流动参数变化剧烈,这种情况会对飞行器的推进系统性能产生不利的影响。因此,有必要对分离诱导的激波反射结构进行更细致地研究。本文首先将分离诱导的激波反射流场划分为三个子流场,综合运用最小熵增原理、自由干涉理论和无粘激波理论等方法对包括激波反射和边界层流动等结构在内的流场进行理论分析,给出了求解分离激波强度的最小熵增法和自由干涉法,按照这两种方法分别通过数值计算得到分离激波强度的两种理论分析解。针对两种理论解不一致的情况进行分析,认为两种理论解实际代表了不同含义的分离激波角,多重因素的综合影响导致了整个分离激波出现弯曲现象。还根据两种理论解的大小关系划分出不同的分离区规模。随后,通过CFD方法得到一系列模拟出来的流场结果,该结果与本文理论分析预测的结果吻合良好,验证了最小熵增法的可靠性。最后,总结分析可能影响分离诱导的激波反射流场的因素,给出数值模拟的结果,验证了膨胀波扇面角等因素对流场结构的影响。

关键词：激波反射激波边界层干涉分离激波最小熵增原理自由干涉理论膨胀波扇数值模拟

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基于最小熵增原理的遗传算法研究

基于最小熵增原理的遗传算法研究

作者：高晶武汉大学

学位级别：硕士

遗传算法（Genetic Algorithm,GA）是模仿达尔文“优胜劣汰”的进化论法则发展而来的一种启发式群智能算法。它直接对结构对象进行操作,对目标函数没有限制性要求,具有较高的鲁棒性和全局搜索能力,可扩展性强。遗传算法适合于高度非线... 详细信息

遗传算法（Genetic Algorithm,GA）是模仿达尔文“优胜劣汰”的进化论法则发展而来的一种启发式群智能算法。它直接对结构对象进行操作,对目标函数没有限制性要求,具有较高的鲁棒性和全局搜索能力,可扩展性强。遗传算法适合于高度非线性优化问题的求解,可以在复杂的多维空间中搜索全局最优解,因而获得了广泛应用。但是,与大多数演化算法类似,遗传算法的线性选择策略使得算法的选择压力过大,导致搜索过程中种群多样性丧失,容易陷入局部最优。针对这个共性问题,本文以遗传算法为典型例子,在热力学遗传算法TDGA的启发下,将遗传算法的进化过程和非平衡热力学状态下体系的变化过程进行类比,研究了基于热力学原理的选择策略。（1）在种群进化过程中,引入热力学非平衡定态下的最小熵增原理,提出了一种基于最小熵增原理的热力学选择策略,使个体的选择不再完全依赖于适应值的大小。在目标函数值空间内定义了个体密度,以度量种群多样性。首先提出了一种基于贪婪热力学选择机制的选择策略,但时间复杂度较高。为了降低时间复杂度,根据熵产生的可叠加性提出了一种基于分量热力学替换机制的选择策略,将种群熵产生分派到每个个体上,直接对个体熵产生进行排序和筛选,使选择过程具有线性时间复杂度。（2）将以上的两种选择策略应用于遗传算法的改进中,并分别在简单背包问题和数值函数测试问题上从多个角度对这两种策略进行了验证分析,实验结果表明,运用非平衡状态下热力学的最小熵增原理,能使种群在保证收敛速度和精度的同时保持多样性,可以有效避免种群陷入局部最优,也验证了分量热力学选择机制有较高的计算效率,可降低时间复杂度。（3）为了验证基于最小熵增原理选择策略的普适性,同时进一步验证该选择策略在多样性保持上的可靠性,又将基于最小熵增的分量热力学选择机制应用于多目标遗传算法的改进中。为了更准确地计算个体密度,使用核函数密度估计对目标空间中的个体分布状态进行拟合。利用非支配排序对种群进行分层,借助最小熵增原理保持种群多样性。最后通过在简单二目标测试问题（包括ZDT系列问题和MOP系列问题）上进行实验验证,实验结果表明了,基于最小熵增原理选择策略在多目标优化问题上的适用性,尤其是在种群多样性保持上的有效性。

关键词：遗传算法最小熵增原理熵产生多目标优化热力学

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基于最小熵产生选择策略的遗传算法研究

计算机应用与软件 2019年第10期36卷 238-244,304页

作者：高晶李元香纪道敏项正龙武汉大学计算机学院

针对遗传算法(Genetic Algorithm,GA)容易陷入局部最优的问题,借鉴热力学非平衡定态下的最小熵增原理,提出一种基于最小熵增原理的热力学选择策略,使个体的选择不再完全依赖于适应值。通过最小熵产生选择策略使种群在保证收敛速度的同... 详细信息

针对遗传算法(Genetic Algorithm,GA)容易陷入局部最优的问题,借鉴热力学非平衡定态下的最小熵增原理,提出一种基于最小熵增原理的热力学选择策略,使个体的选择不再完全依赖于适应值。通过最小熵产生选择策略使种群在保证收敛速度的同时保持多样性,有效避免了种群陷入局部最优。通过定义个体密度来度量种群多样性,利用精英策略驱动种群熵产生快速下降;当种群多样性过低时,使用基于最小熵产生的选择策略产生新种群以保证种群多样性。在0/1背包问题和数值测试问题上的实验结果均表明,该策略能很好地保证解集分布的均匀性,防止种群陷入局部最优。同时,该策略也可应用于目前较新改进的遗传算法中,对算法效率也有一定的改进,具有很好地普适性。

关键词：遗传算法最小熵增原理熵产生背包问题函数优化

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激波反射与分离主控的高速流动结构分析

激波反射与分离主控的高速流动结构分析

作者：杨锦富南京航空航天大学

学位级别：硕士

在高超声速飞行器的进气道和隔离段、高超声速风洞的喷管和扩压器中,常常出现因激波和附面层相互干扰而产生的复杂流动结构现象,这种流动结构被称为激波串。由于在实际流动中,流场参数的复杂多变,超声速管道内的激波串结构通常呈现出非... 详细信息

在高超声速飞行器的进气道和隔离段、高超声速风洞的喷管和扩压器中,常常出现因激波和附面层相互干扰而产生的复杂流动结构现象,这种流动结构被称为激波串。由于在实际流动中,流场参数的复杂多变,超声速管道内的激波串结构通常呈现出非对称性和非定常性,这对于结构部件的气动特性和疲劳寿命有不可忽略的影响。因而,针对超声速管道内的激波串的流场机理进行研究并探索对激波串结构的控制方法具有重要的现实意义。本文基于最小熵增原理,针对来流马赫数为2.7的超声速管道内的非对称斜激波串结构进行理论建模,推导出新的等效反压和熵增因子的公式,将得到的理论结果与数值模拟结果、风洞试验结果以及其他文献给出的结果进行对比,吻合程度良好,验证了理论模型的可靠性。随后,本文设计了几组内置双凹槽和内置双斜楔的管道模型,研究其对超声速管道内的斜激波串的首道激波在上、下壁面的起点和激波角的对称性的控制效果,发现在双凹槽模型中,凹槽前缘点能够稳定斜激波串首道激波的上、下壁面起点,且使上、下壁面激波角相等;在双斜楔模型中,随着斜楔角度和底边尺寸的增大,斜激波串的首道激波角增大,且首道激波在上、下壁面的起点的非对称性减小。

关键词：超声速激波串非对称性控制方法最小熵增原理凹槽斜楔

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复杂流动条件下的激波/附面层干扰结构研究

复杂流动条件下的激波/附面层干扰结构研究

作者：周博宇南京航空航天大学

学位级别：硕士

激波/附面层干扰结构是一种广泛存在于高超声速飞行器推进系统的管道中的流动结构,这种流场结构容易受到各种外部因素的影响,导致流场内流动参数极不稳定,呈现出非对称性和非定常性。这种情况会严重影响飞行器的推进系统性能,缩短器械... 详细信息

激波/附面层干扰结构是一种广泛存在于高超声速飞行器推进系统的管道中的流动结构,这种流场结构容易受到各种外部因素的影响,导致流场内流动参数极不稳定,呈现出非对称性和非定常性。这种情况会严重影响飞行器的推进系统性能,缩短器械使用寿命。因此,有必要对激波/附面层干扰结构进行更细致地研究。本文基于最小熵增原理和自由干涉理论,针对不同来流马赫数的超声速等直管道内的规则反射结构进行建模。基于斜激波串的前四道激波推导出等效反压和熵增因子,建立了由流动分离诱导产生的非对称斜激波串结构与上游流场和下游扰动因素之间的关系,考虑了附面层流动特性,以此预测斜激波串结构中的上、下壁面激波角大小和上、下壁面激波起点距离,并将理论分析结果与CFD数值模拟结果进行比较。该结果与本文理论推导结果符合情况良好,验证了两种理论相结合的适用性和有效性。最后在本文理论模型的基础上解释了影响非对称规则反射激波结构的不同因素,进行了分离激波强度与主要流场参数之间的关系分析。

关键词：激波反射激波/附面层干扰分离激波最小熵增原理自由干涉理论数值模拟

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超声速流动中复杂激波干扰结构研究

超声速流动中复杂激波干扰结构研究

作者：徐培南京航空航天大学

学位级别：硕士

在高超声速飞行器、高速风洞的绕流和内流环境中,常常存在着以斜激波串为代表的复杂激波干扰结构。在此类结构中,气动参数变化剧烈,整体上还表现出明显的非定常特性。这种激波/激波、激波/附面层干扰后所产生的脉动压力将会对相应部件... 详细信息

在高超声速飞行器、高速风洞的绕流和内流环境中,常常存在着以斜激波串为代表的复杂激波干扰结构。在此类结构中,气动参数变化剧烈,整体上还表现出明显的非定常特性。这种激波/激波、激波/附面层干扰后所产生的脉动压力将会对相应部件的疲劳寿命和气动性能产生显著影响。因此,对复杂激波干扰结构开展针对性的分析研究具有重要意义。本文采用试验和数值模拟的方法对Ma2.7的三种不同激波干扰流场开展了多方面研究。首先,采用高速纹影、背景纹影(BOS)和动态压力测量等技术对含入射激波的上游流场进行了试验测量,得到了定性和定量的流场参数情况,并综合数值模拟结果获得了入射斜激波马赫杆宽度的三维信息。接着,针对下游压力扰动下的激波串流场,建立了以最小熵增理论为基础的激波反射结构分析模型,其预测结果与试验、数值模拟、文献数据均保持了良好的吻合性。斜激波串受迫振荡频率与下游压力大小呈正相关,并且存在着移动“迟滞”现象。最后,在上游激波流场中,斜激波串运动时仍然会出现“迟滞”,并在接近上游入射激波时表现出含明显主频的规则振荡,而其余情况均为随机性的低频振荡,则可根据此频率特征对激波结构进行预测。此外,本文应用BOS技术也获得了非定常流场密度梯度的定量分布信息。

关键词：激波干扰结构斜激波串背景纹影测量技术(BOS) 最小熵增原理激波反射受迫振荡