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基于NTK理论和改进时间因果的物理信息神经网络加速收敛算法

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力学学报 2024年第7期 1943-1958页

作者：潘小果王凯邓维鑫四川大学机械工程学院中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所

物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINNs)是一类将先验物理知识嵌入神经网络的方法,目前已经成为求解偏微分方程领域的研究热点.尽管PINNs在数值模拟方面展现出巨大的应用前景,但它仍然面临收敛缓慢的挑战.文章从神... 详细信息

物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINNs)是一类将先验物理知识嵌入神经网络的方法,目前已经成为求解偏微分方程领域的研究热点.尽管PINNs在数值模拟方面展现出巨大的应用前景,但它仍然面临收敛缓慢的挑战.文章从神经正切核(neural tangent kernel, NTK)理论出发,通过对单隐藏层神经网络模型进行分析,推出PINNs的神经正切核矩阵具体表达式,并以此进一步分析PINNs收敛速度的影响因素,给出PINNs快速收敛的两个必要条件.应用神经正切核理论分析PINNs领域的3种相关算法(时间因果算法、傅里叶特征嵌入、学习率退火)的加速收敛效果,结果表明这3种算法均不能满足PINNs加速收敛的所有必要条件.文章提出一种动态傅里叶特征嵌入时间因果算法(dynamic Fourier feature embedding causality, DFFEC),综合考虑了NTK矩阵特征值平衡和时间顺序收敛对PINNs收敛速度的影响,在Allen-Cahn, Reaction, Burgers和Advection等4个算例上的数值实验结果表明,所提出的DFFEC算法可以显著提高PINNs的收敛速度.特别是在Allen-Cahn算例上,与时间因果算法相比,所提出的DFFEC算法具有至少50倍的加速收敛效果.

关键词：物理信息神经网络收敛速度谱偏差神经正切核非定常流动

基于高阶谐波控制的倾转旋翼近场气动噪声主动控制试验

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航空学报 2024年第9期45卷 229-239页

作者：马锦超陆洋王亮权宋奎辉无锡职业技术学院机械工程分院无锡214121 南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室南京210016 中国空气动力研究与发展中心旋翼空气动力学重点实验室绵阳621000

倾转旋翼飞行器的桨尖靠近机身,其近场气动噪声问题严重,理论研究表明,高阶谐波控制能够调整桨盘载荷分布,从而降低倾转旋翼对机身表面的气动噪声辐射。通过试验研究验证了高阶谐波控制(HHC)对倾转旋翼飞行器近场气动噪声的抑制效果。... 详细信息

倾转旋翼飞行器的桨尖靠近机身,其近场气动噪声问题严重,理论研究表明,高阶谐波控制能够调整桨盘载荷分布,从而降低倾转旋翼对机身表面的气动噪声辐射。通过试验研究验证了高阶谐波控制(HHC)对倾转旋翼飞行器近场气动噪声的抑制效果。研制了一套用于模型倾转旋翼的HHC伺服控制系统,及倾转旋翼飞行器缩比机身模型;进一步在消声室环境下搭建了倾转旋翼飞行器近场气动噪声主动控制的HHC主动控制试验系统,开展了直升机模式下的噪声主动控制试验研究;验证了HHC对倾转旋翼飞行器近场气动噪声的主动控制效果。试验结果表明2Ω的HHC控制输入的降噪效果最好,在直升机模式下,机身顶部观测点处的近场气动噪声最多可降低4.5 dB。

关键词：倾转旋翼高阶谐波控制近场气动噪声主动控制

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磁梯度张量系统目标探测技术研究进展

兵工学报 2024年

作者：李青竹李晶李志宁石志勇文雪忠中国空气动力研究与发展中心超高速所陆军工程大学石家庄校区

磁梯度张量系统，作为磁性目标全张量梯度探测的应用基础，以区域磁异常产生的磁梯度张量场为信息源，通过矢量磁传感器间的差分计算实现磁梯度张量分量测量。相较磁总场和矢量场探测设备，磁梯度张量系统具有分辨率高、信息量大、抗干... 详细信息

磁梯度张量系统，作为磁性目标全张量梯度探测的应用基础，以区域磁异常产生的磁梯度张量场为信息源，通过矢量磁传感器间的差分计算实现磁梯度张量分量测量。相较磁总场和矢量场探测设备，磁梯度张量系统具有分辨率高、信息量大、抗干扰能力强等优势，能获取目标更多的潜在物性信息，研究世界范围内基于磁梯度张量系统的目标探测技术进展可为我国磁探测设备现代化信息化建设提供理论参考和技术支持。首先对现代磁法探测技术发展过程和阶段进行了阐述，然后对国内外研究团队设计搭建的基于超导效应和磁通门法两种类型的磁梯度张量系统及其应用进行了介绍和归纳，并针对磁梯度张量系统的校正补偿与降噪、磁性目标定位与识别等关键技术进行了前沿综述。最后展望了未来高精度磁梯度张量探测仪器的设计研发思路，总结了磁梯度张量探测各类关键技术目前存在的问题和发展趋势。

关键词：磁梯度张量系统磁性目标探测目标定位与识别磁通门传感器超导量子干涉仪

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考虑丙二醇热解的相变发汗冷却数值研究

推进技术 2024年

作者：刘逸飞麻玉龙贺菲俞继军罗晓光王建华中国科学技术大学热科学和能源工程系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室中国航天空气动力技术研究院

为了揭示裂解反应对相变发汗冷却的影响，本文结合局部热非平衡下的两相混合模型（LTNE-TPMM），过渡态理论（TST）和化学反应动力学，利用丙二醇（PG）作为冷却剂，对多孔平板相变发汗冷却进行了数值研究，首次揭示了不同冷却剂质量流... 详细信息

为了揭示裂解反应对相变发汗冷却的影响，本文结合局部热非平衡下的两相混合模型（LTNE-TPMM），过渡态理论（TST）和化学反应动力学，利用丙二醇（PG）作为冷却剂，对多孔平板相变发汗冷却进行了数值研究，首次揭示了不同冷却剂质量流量和热流密度分布下裂解反应对多孔介质内流动换热过程的影响机理和影响规律。结果表明，丙二醇裂解率与注入流量呈负相关，与热流密度大小呈正相关，质量流量从0.2kg/(m2·s)提高至0.4kg/(m2·s)时，丙二醇的裂解率由0.48降低至0.27；热流密度q0从0.8提高到1.2MW/m2时，裂解率由0.21提高到了0.63。裂解反应从多孔骨架吸收大量热量，增加了额外的化学热沉。此外，裂解反应能够有效强化多孔出口高温区的流动换热，提高热扩散速率。

关键词：发汗冷却热防护相变多孔介质丙二醇裂解反应热扩散

内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构的机理分析与优化设计

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物理学报 2024年第11期73卷 164-177页

作者：贾静肖勇王勋年王帅星温激鸿中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室绵阳621000 国防科技大学智能科学学院装备综合保障技术重点实验室长沙410073

低频噪声一直是噪声控制领域比较棘手的问题,近年来吸声超结构的蓬勃发展为低频噪声控制提供了新理念.本文提出了一种内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构,建立了其吸声特性计算的理论解析方法,并与数值计算方法对比,验证了解析方法的有效... 详细信息

低频噪声一直是噪声控制领域比较棘手的问题,近年来吸声超结构的蓬勃发展为低频噪声控制提供了新理念.本文提出了一种内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构,建立了其吸声特性计算的理论解析方法,并与数值计算方法对比,验证了解析方法的有效性.随后,从吸声曲线、简化等效模型、归一化声阻抗、声压云图与质点速度分布等多角度对吸声特性及吸声机理进行了深入分析.进一步,采用差分优化算法开展了多元胞并联耦合宽带优化设计,优化后典型超结构实现了90 mm厚度下在170—380 Hz低频段内平均吸声系数达到0.86的优异吸声效果.最后,制备了若干样件,开展吸声测试,实验结果与理论结果符合良好,验证了解析建模与优化设计方法的准确性.本文提出的内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构具有结构简单、低频吸声性能好,且易于加工制造等特点,在低频噪声控制领域具有广阔的应用前景.

关键词：吸声超结构 Helmholtz共鸣器内插缝低频吸声

双模态冲压发动机:从宽域性能优化到模态设计

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航空学报 2024年第11期45卷 84-105页

作者：陈军白菡尘万冰黎崎中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室绵阳621000

航班化航天运输系统的飞行包络宽、飞行任务复杂,要求其冲压发动机具有宽域、高效、推力可调节的运行能力,通过系统级性能优化实现宽域高性能,是双模态冲压发动机研究需要攻克的关键难题。本文回顾了双模态冲压发动机概念提出的背景与... 详细信息

航班化航天运输系统的飞行包络宽、飞行任务复杂,要求其冲压发动机具有宽域、高效、推力可调节的运行能力,通过系统级性能优化实现宽域高性能,是双模态冲压发动机研究需要攻克的关键难题。本文回顾了双模态冲压发动机概念提出的背景与初衷、双模态运行机制认知以及双模态冲压发动机性能优化的探索历程,探讨了热力循环分析与宽域性能优化的关系,建议以实现飞行任务为目标,对双模态冲压发动机的运行模态进行设计,探索“基于设计”的宽域模态控制和受控模态转换技术。根据近年来发展的双模态冲压发动机等效热力过程理论,揭示了宽域性能优化若干条件,提出一个便于实现“受控模态转换”的多设计点固定几何燃烧室宽域运行方案设想。为实现宽域模态控制和受控模态转换技术,未来需建立两大能力,一是基于任务约束定量解决进发匹配以及飞发匹配矛盾、建立飞发一体化的“即时按需设计”能力,二是发展受控燃烧组织技术、建立燃烧系统“即时按需设计”的能力。

关键词：双模态冲压发动机性能优化宽域运行模态设计燃烧组织

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深度学习在边界层流动稳定性分析中的应用

空气动力学学报 2024年第3期42卷 30-46页

作者：樊佳坤姚方舟黄江涛徐家宽乔磊白俊强西北工业大学航空学院西安710072 西安航天动力技术研究所西安710025 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所绵阳621000 西北工业大学无人系统技术研究院西安710072

基于线性稳定性理论(linear stability theory,LST)的e^(N)方法是边界层转捩预测中比较可靠的方法之一。为了将传统LST特征值问题的求解过程大幅度简化和自动化,使用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)在边界层相似性解的... 详细信息

基于线性稳定性理论(linear stability theory,LST)的e^(N)方法是边界层转捩预测中比较可靠的方法之一。为了将传统LST特征值问题的求解过程大幅度简化和自动化,使用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)在边界层相似性解的LST分析样本集上进行训练,针对流向和横流不稳定性,分别在自然层流翼型和无限展长后掠翼上预测扰动的当地增长率、N因子和转捩位置,结果与标准LST一致性良好;验证了CNN可以将边界层剖面速度型导数信息编码为满足伽利略不变性的标量特征,在翼型边界层中起到了表征压力梯度的作用,在后掠翼边界层中起到了表征横流强度的作用;在CNN对LST特征值预测的基础上,以LST控制方程、边界条件和平凡解惩罚项构造总损失函数来训练内嵌物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN),实现了在不依赖样本的情况下对LST特征函数的准确预测,结果表明PINN可以为LST的特征函数问题提供有效的建模方法。

关键词：线性稳定性理论 e^(N)方法卷积神经网络内嵌物理信息神经网络流向不稳定性横流不稳定性

Ma=6空气流中涂层材料的激光破坏特性及其流动干扰

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气体物理 2024年第1期9卷 70-80页

作者：林键刘丽丽卢洪波文帅李海燕陆宏志符松中国航天空气动力技术研究院清华大学航天航空学院中国航天科技创新研究院中国运载火箭技术研究院

面向激光的应用新场景，搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台，开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究，给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破... 详细信息

面向激光的应用新场景，搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台，开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究，给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破坏特性以及材料损伤产生的干扰流动结构。与静止空气中激光辐照材料烧蚀现象相比，在高超声速空气流作用时，涂层材料受激光辐射产生的破坏特征明显不同，激光功率较小时涂层材料呈现出更大的破坏面积，激光功率较大时涂层材料形成更深的烧蚀坑。受材料烧蚀扰动，流场经过激光辐照产生烧蚀结构时形成了类似于热射流或小突起物的绕流流动结构。这又反向影响材料的烧蚀，导致激光光斑辐照区域的上下游及横侧向产生与静态烧蚀明显不同的特征。这些新特征对于工程应用具有重要指导作用。

关键词：高超声速切向气流激光烧蚀涂层材料风洞试验

超声速进气道内激波/边界层流动控制研究进展

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应用力学学报 2024年

作者：吴云凯马晓刚冯黎明曹熙炜范健薛瑞西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室中国空气动力研究与发展中心北京宇航系统工程研究所

吸气式高超声速飞行器进气道存在边界层转捩、流动分离、及激波/边界层干扰等复杂流动现象，对这些复杂流动现象的深刻认识及有效控制是实现高超声速飞行器有效工作与性能提升的关键。本文首先对超声速进气道内的被动和主动流动控制技... 详细信息

吸气式高超声速飞行器进气道存在边界层转捩、流动分离、及激波/边界层干扰等复杂流动现象，对这些复杂流动现象的深刻认识及有效控制是实现高超声速飞行器有效工作与性能提升的关键。本文首先对超声速进气道内的被动和主动流动控制技术的研究进展进行综述，对其在超声速进气道激波/边界层流动控制的使用效能及其缺点进行了描述。同时，随着高超声速飞行器研制向宽速域、大空域及高马赫数方向迈进，以往传统的进气道主、被动流动控制技术难以满足高超声速飞行器在宽域工作条件下的性能随控需求，继而以等离子体为代表的多场耦合控制方式成为当前超声速进气道流动控制的研究热点。然而，限于现有的试验测试手段难以开展超声速等离子体激励激波/边界层相互作用的精细流动控制机制研究，仍存在许多值得探讨的地方，文章在综述的同时对下一步研究提出相关建议。

关键词：高超声速流动控制等离子体激波/边界层相互作用