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多步法冰晶积冰数值模拟

航空学报 2024年第14期45卷 144-157页

作者：卜雪琴黄平林贵平楼燕霞北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学杭州国际创新研究院杭州311115

近年来,冰晶结冰问题逐渐成为飞机/发动机防除冰领域研究的热点。为了实现对冰晶积冰过程的准确预测,建立了冰晶结冰计算模型,包括考虑了不规则形状的冰晶运动轨迹模型、冰晶结冰质量动量守恒模型、黏附模型、侵蚀模型。采用时间多步法... 详细信息

近年来,冰晶结冰问题逐渐成为飞机/发动机防除冰领域研究的热点。为了实现对冰晶积冰过程的准确预测,建立了冰晶结冰计算模型,包括考虑了不规则形状的冰晶运动轨迹模型、冰晶结冰质量动量守恒模型、黏附模型、侵蚀模型。采用时间多步法模拟积冰过程,在每个时间步长内更新空气流场、冰晶粒子运动轨迹、结冰热力学计算结果,并利用动网格技术更新冰形的几何边界。研究结果表明,利用时间多步法进行计算,能够实现稳定冰形的模拟。稳定冰形形成的原因在于:一方面,积冰减少了表面冰晶的黏附量;另一方面,积冰增大了对已形成积冰的侵蚀量,最终使黏附积冰过程与侵蚀过程达到动态平衡。本文模型和计算方法适用于低融化率情况,能够对三维结构冰晶结冰数值模拟提供指导,但对于高融化率情况还需要进一步考虑积冰向下游流走的情况。

关键词：冰晶结冰黏附侵蚀多步法动网格

面向天河新一代超算系统通用处理器的性能分析工具集

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计算机学报 2024年第2期47卷 423-440页

作者：冯文韬栾钟治杨海龙钱德沛北京航空航天大学计算机学院北京100191

天河新一代超算系统是继天河2号后天河系列的新一代超算系统.该系统拟采用通用处理器配合加速器的混合异构架构,其中通用处理器采用ARM架构.目前,面向ARM架构处理器的性能分析工具仍不够完善,而面向新一代超算的性能分析工具更是较为匮... 详细信息

天河新一代超算系统是继天河2号后天河系列的新一代超算系统.该系统拟采用通用处理器配合加速器的混合异构架构,其中通用处理器采用ARM架构.目前,面向ARM架构处理器的性能分析工具仍不够完善,而面向新一代超算的性能分析工具更是较为匮乏,实用性和效率还难以满足编程人员的需求.本文针对天河新一代超算系统的通用处理器,设计开发了一套性能分析工具集,包含缓存冲突检测、伪共享检测和内存缺陷检测三个子工具.工具集可以在天河新一代超算系统的普通用户权限下分析系统单节点内以及数据并行性较高的多节点程序的性能问题,并可以解决程序的内存问题.本文使用min-write、缓存行对齐填充、线程访问隔离等多种性能优化策略来提高工具性能,采用以上策略的工具的运行时间可至多减少至原先的1/20,同时使用新颖的红区检测法和红区隐藏与恢复机制来降低工具报告的假错误率.本文还开发了配套的可视化界面,使用户可以对程序的性能分析数据进行可视化的分析和处理,提高了工具的实用性和易用性.工具对程序执行带来的额外时间开销是40~100倍,额外内存开销是100~200倍,正确性和实用性得以保证,可以提高天河新一代超算系统的编程效率和程序性能.

关键词：性能分析工具天河新一代超算系统伪共享检测内存缺陷检测程序优化

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局部凸起在V形钝前缘模型中的降热特性研究

力学学报 2024年第4期56卷 915-927页

作者：李帅姜振华张珊尹同阎超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究... 详细信息

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理,然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数,最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性.研究结果表明:上游凸起边缘形成的斜激波与主马赫反射结构形成的透射激波发生干扰,能够减弱其冲击壁面的强度,实现降热的目的;驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度,能够降低其对撞的强度,实现降热的目的.原始方案的降热能力约为37.75%,在对局部凸起的关键设计参数进行初步优化后,优化方案的降热能力将提升至44.60%.设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性,而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动.在研究范围内,高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%.

关键词：内转式进气道 V形钝前缘气动热流动控制局部凸起

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时间约束三维超螺旋滑模制导控制一体化方法

宇航学报 2024年第2期45卷 283-294页

作者：李雪王青北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学国际创新学院杭州311115

针对飞行器时间约束制导问题,提出了一种新型三维制导控制一体化方法。为满足大前置角及大期望到达时间下时间约束制导的需要,提出了一种新型滑模面,并证明了滑模运动时前置角的渐近收敛特性。在该滑模面的基础上,基于超螺旋算法和反步... 详细信息

针对飞行器时间约束制导问题,提出了一种新型三维制导控制一体化方法。为满足大前置角及大期望到达时间下时间约束制导的需要,提出了一种新型滑模面,并证明了滑模运动时前置角的渐近收敛特性。在该滑模面的基础上,基于超螺旋算法和反步法,提出了有限时间稳定的制导控制一体化控制律,保证李普希茨有界扰动下的鲁棒,且控制量连续,其有限时间收敛特性通过李雅普诺夫稳定性理论得到证明,其有效性通过数值仿真得到了验证。

关键词：飞行器攻击时间控制制导制导控制一体化超螺旋算法反步法

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非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

北京航空航天大学学报 2024年第8期50卷 2524-2537页

作者：李文韬何允钦张艺仪梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京100191

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型,提出一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程黏滞解的新方法(PEF)。所提方法可将燃面退移问题转化为特殊的稳... 详细信息

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型,提出一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程黏滞解的新方法(PEF)。所提方法可将燃面退移问题转化为特殊的稳态热传导问题,实现对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素,在平衡压力假设下,形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明:所提方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面,而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解,充分利用商业有限元软件成熟的计算机辅助设计(CAD)建模、前处理、后处理及二次开发能力,实现了复杂燃面退移与内弹道性能预示方法的通用化和实用化。

关键词：固体火箭发动机燃面退移内弹道性能预示有限元法程函方程泊松方程

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涡轮动叶背侧不同叶高处异型孔气膜对比

航空动力学报 2024年第5期39卷 62-70页

作者：王磊李海旺谢刚周志宇北京航空航天大学能源与动力工程学院北京102206 北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室北京102206

采用数值仿真的方法对比研究了涡轮转子叶片背侧不同叶高位置处的圆柱孔、扇形孔和簸箕孔三种孔型气膜冷却的差异。气膜孔位于吸力面17.8%流向位置,并分别在10%、30%、50%、70%和90%叶高位置各设有一个气膜孔,三种孔型的圆孔段直径均为0... 详细信息

采用数值仿真的方法对比研究了涡轮转子叶片背侧不同叶高位置处的圆柱孔、扇形孔和簸箕孔三种孔型气膜冷却的差异。气膜孔位于吸力面17.8%流向位置,并分别在10%、30%、50%、70%和90%叶高位置各设有一个气膜孔,三种孔型的圆孔段直径均为0.8 mm。研究在600 r/min转速(对应旋转雷诺数为536 000)条件下开展并获得吹风比为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50条件下的气膜冷却效率分布。研究结果指出:不同叶高位置处的气膜尾迹受叶根通道涡和叶顶泄漏流的影响呈现不同程度地向中间叶高位置偏转的趋势,因此不同叶高位置处的气膜尾迹内的涡对结构不对称的特征也不同。随着吹风比的增加,出现最大气膜冷却效率的叶高位置逐渐向叶顶方向移动。使用扇形孔和簸箕孔可以削弱冷却射流在气膜孔出口位置的法向动量,提升了气膜的附壁性和气膜冷却效率。

关键词：气膜冷却涡轮动叶吸力面叶高位置异型孔吹风比

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非定常涡升力机制的三维效应

工程热物理学报 2024年第2期45卷 410-417页

作者：王卓杜林孙晓峰北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

本文采用浸入式边界方法对一低速单级压气机在不同轴向间距下的转静干涉流动进行了数值模拟,主要关注缩小轴向间距后由于非定常涡升力机制所引起的前后排叶片流动状态变化。计算结果表明,级性能随间距出现提升的流动机理在于,当间距减小... 详细信息

本文采用浸入式边界方法对一低速单级压气机在不同轴向间距下的转静干涉流动进行了数值模拟,主要关注缩小轴向间距后由于非定常涡升力机制所引起的前后排叶片流动状态变化。计算结果表明,级性能随间距出现提升的流动机理在于,当间距减小后,前排转子的负荷出现提升,这一变化使得级间静压升高,静子根部的逆压梯度得到有效的缓解,进而导致静子根部的流动分离被抑制,压气机的压升及效率均出现明显的提升。

关键词：转静干涉非定常涡升力浸入式边界方法

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基于非对称多项式拟合的光谱波纹系数算法

光谱学与光谱分析 2024年第5期44卷 1283-1290页

作者：孙胜琳徐宏杰杨晟旻方佳豪梁佳辉北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

在光纤陀螺中,常采用超辐射发光二极管(SLD)或放大自发辐射(ASE)光源,其较宽的光谱可有效抑制偏振噪声及背向反射、瑞利散射等影响。在SLD及ASE光源中,波纹系数是一项重要指标,其主要来自于宽带光源中未完全抑制掉的激射部分,会对光纤... 详细信息

在光纤陀螺中,常采用超辐射发光二极管(SLD)或放大自发辐射(ASE)光源,其较宽的光谱可有效抑制偏振噪声及背向反射、瑞利散射等影响。在SLD及ASE光源中,波纹系数是一项重要指标,其主要来自于宽带光源中未完全抑制掉的激射部分,会对光纤陀螺的精度产生影响。目前在国军标中对波纹系数的定义是:光谱曲线峰值波长附近的模式幅值的极差,单位为dB。目前对波纹系数还是采用人眼观察的方法,人眼观察具有一定的主观性和偶然性,不能排除人们主观因素以及外界干扰带来的测量误差,并且经过处理后得到的对数光谱不能准确反映原始光谱特性。针对宽带光源非对称光谱中的波纹系数进行分析,对比多峰高斯拟合和多项式拟合各自的优缺点,选择多项式拟合的方式;通过理论分析及实验验证,采用五次多项式拟合满足要求。基于三倍标准差原理提出了一种新的波纹系数计算方法,可以准确反映波纹系数大小。采用AQ6370D光谱仪和自制的“光谱波纹系数测试”软件对ASE光源和SLD光源进行实验,计算结果与人眼观察数据基本吻合。在此基础上进行重复性验证实验,采集同一光源的五次实验数据,分别计算其波纹系数,并与人眼观察结果比较,结果表明人眼观察只能估算到小数点后两位,而光谱波纹系数算法精度较高,分辨率可达0.0001。自制的“光谱波纹系数测试”软件可以在交互界面上得到测试光谱的平均波长、峰值波长、中心波长、谱宽、波纹系数、线性坐标和对数坐标下的光谱及其拟合曲线表达式,使实验分析更加方便快捷,大大提高了实验效率。提出的基于非对称多项式拟合的光谱波纹系数算法可以更有效地对光源波纹系数进行判断,提高了计算效率,消除了主观性和偶然性的影响,对国军标进行了补充,有较为广阔的应用前景。

关键词：波纹系数多项式拟合光谱拟合光源

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土的统一硬化本构理论及其工程应用

中国科学：技术科学 2024年第2期54卷 179-195页

作者：姚仰平北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191

塑性力学奠基人Drucker首次构建了可统一考虑土的变形和强度的塑性本构理论框架,在此基础上, Roscoe结合土的基本力学特性,建立了剑桥模型,实现了对正常固结黏土的变形和强度特性的统一定量描述.针对剑桥模型无法合理描述超固结黏土和... 详细信息

塑性力学奠基人Drucker首次构建了可统一考虑土的变形和强度的塑性本构理论框架,在此基础上, Roscoe结合土的基本力学特性,建立了剑桥模型,实现了对正常固结黏土的变形和强度特性的统一定量描述.针对剑桥模型无法合理描述超固结黏土和砂土的应力应变特性的缺陷,主要做出以下贡献:(1)构建统一硬化(unified hardening, UH)方程,建立了UH模型,该模型能够合理描述正常固结黏土、超固结黏土和砂土的应力应变特性,回答了剑桥学者Wroth-Houlsby之问(一),并进一步扩展为能够考虑各种复杂因素影响的特色鲜明的UH本构体系;(2)提出了广义非线性强度准则及变换应力的三维化方法,实现了本构模型和三维强度准则的合理结合,回答了剑桥学者Wroth-Houlsby之问(二);(3) UH本构体系、广义非线性强度准则和三维变换应力方法共同形成了UH本构理论,由于UH本构理论概念清晰、参数较少、实用性强,已服务于多个重大工程,并分别结合机场“锅盖效应”“智能预警”和“智能压实”等三类特殊问题开展应用.

关键词：本构模型强度准则统一硬化方程三维化方法机场工程锅盖效应智能压实