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流体力学预解分析方法研究进展

力学学报 2024年

作者：袁昊寇家庆张伟伟西北工业大学航空学院西北工业大学流体力学智能化国际联合研究所飞行器基础布局全国重点实验室

线性稳定性分析长期以来是揭示复杂流动机理的重要手段，通过求解流动线性化算子的特征值问题获得流动的直接模态及其频率、增长率等信息。然而其仅能描述系统微幅扰动随时间的指数发展，无法捕捉系统受迫和响应特征。预解分析从线性输... 详细信息

线性稳定性分析长期以来是揭示复杂流动机理的重要手段，通过求解流动线性化算子的特征值问题获得流动的直接模态及其频率、增长率等信息。然而其仅能描述系统微幅扰动随时间的指数发展，无法捕捉系统受迫和响应特征。预解分析从线性输入输出动力学系统出发，通过提取流动系统受谐波激励的强迫/响应模态及其增益，捕捉系统关于不同频率扰动的受迫模式和能量放大效应。该方法建立了流动对外激励的空间敏感性和对应响应的空间模式分析的统一框架，对复杂流体动力学问题的分析、建模和控制有很强的应用潜力。文章针对预解分析方法展开了全面综述：首先介绍了预解分析理论框架、实现难点与改进方法，讨论了预解增益和模态的物理意义；同时，从基础假设、数学理论、算法流程以及物理含义等方面对比了线性稳定性分析和预解分析算法，并给出了两者在一定条件下的联系；进一步展示了预解分析在揭示流动机理、建立低维模型以及指导流动控制等方面的研究成果；最后通过Ginzburg–Landau方程和方柱绕流问题，展示了预解分析在动力学系统特征提取上的应用潜力。在此基础上，针对现有研究的不足和困难，讨论了预解分析方法在改进算法、非线性系统分析、流动控制等方面的未来研究方向。

关键词：预解分析线性稳定性分析敏感性感受性降阶模型

面向流体力学仿真的大型稀疏矩阵混合精度GMRES加速算法

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应用数学和力学 2024年

作者：郑森炜寇家庆张伟伟西北工业大学航空学院西北工业大学流体力学智能化国际联合研究所飞行器基础布局全国重点实验室

由于计算能耗低、效率高，以单精度/半精度计算单元为主的GPU/TPU/NPU等算力已成为人工智能计算的主要模式，但无法直接应用于浮点精度需求高的微分方程求解，不能直接替代双精度算力。通过结合单/双精度各自的优势，提出了兼顾效率和... 详细信息

由于计算能耗低、效率高，以单精度/半精度计算单元为主的GPU/TPU/NPU等算力已成为人工智能计算的主要模式，但无法直接应用于浮点精度需求高的微分方程求解，不能直接替代双精度算力。通过结合单/双精度各自的优势，提出了兼顾效率和精度的大型稀疏线性方程组的混合精度求解格式。发展了面向稀疏大型矩阵的GMRES细化迭代算法（SparseGMRES-IR）。首先分析了流体力学仿真问题中的矩阵数据分布特点，通过双精度做预处理，单精度细化迭代，使单精度计算应用于算法主要耗时部分，发挥计算效率优势。通过求解开源数据集提供的33个线性方程组验证提出方法的精度和效率。结果表明，在单核CPU上，相同精度要求下，提出的单双混合精度算法可以实现最高2.5倍加速效果，并在大规模矩阵下效果更突出。

关键词：混合精度计算流体力学线性方程组 GMRES

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航空气动噪声机器学习研究进展

空气动力学学报 2024年

作者：张巧杨党国吴德松张伟伟西北工业大学航空学院西北工业大学流体力学智能化国际联合研究所飞行器基础布局全国重点实验室(西安) 中国空气动力研究与发展中心

气体流动过程会产生压力脉动诱发气动噪声，高强度气动噪声可能会产生声疲劳、声振耦合等现象降低飞机安全性能。本文从气动噪声研究背景着手，结合气动噪声获取方法，总结出气动噪声研究在试验测量和数值模拟中面临的挑战性，如声学测... 详细信息

气体流动过程会产生压力脉动诱发气动噪声，高强度气动噪声可能会产生声疲劳、声振耦合等现象降低飞机安全性能。本文从气动噪声研究背景着手，结合气动噪声获取方法，总结出气动噪声研究在试验测量和数值模拟中面临的挑战性，如声学测量结果相对单一，难与流动结构建立关联性，高精度气动噪声数据获取难等。以此为导向调研了机器学习方法在航空气动噪声研究中的应用和新进展，主要从机器学习在稀疏测点下的声场重构和机器学习方法预测气动噪声两方面展开。最后，于文末总结出机器学习方法在气动噪声研究中的局限性及其在本领域的发展趋势。

关键词：机器学习气动噪声声场重构压缩感知

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基于凹槽结构的导管螺旋桨梢部流动研究

船舶力学 2024年第6期28卷 866-876页

作者：金志辉王鹏董华超温志文丁永乐西安精密机械研究所西安710077 西北工业大学航海学院西安710072

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无... 详细信息

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无凹槽/不同凹槽结构进行非定常数值计算,研究凹槽结构对桨叶叶梢压力、梢涡强度、梢涡结构以及水动力性能的影响。结果表明:凹槽结构会明显改变导管螺旋桨梢部流场涡的形成,减弱梢涡强度,提高叶片梢部最小压力,并且对推进性能几乎没有影响。研究结果可为导管螺旋桨的梢涡控制以及减振降噪提供一种新的解决途径。

关键词：导管螺旋桨凹槽结构梢涡结构空泡机匣处理

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数据驱动的气动热建模预测方法总结与展望

气体物理 2024年第4期9卷 39-55页

作者：王泽宋述芳王旭张伟伟西北工业大学航空学院陕西西安710072 西北工业大学流体力学智能化国际联合研究所陕西西安710072

气动热的准确预测是指导高超声速飞行器设计的基础。在经典气动热预测方法愈发难以满足工程中高效准确的气动热预测需求的背景下,近年来蓬勃发展的数据驱动气动热建模预测方法逐渐成为气动热预测的新范式。对此,首先阐述了数据驱动气动... 详细信息

气动热的准确预测是指导高超声速飞行器设计的基础。在经典气动热预测方法愈发难以满足工程中高效准确的气动热预测需求的背景下,近年来蓬勃发展的数据驱动气动热建模预测方法逐渐成为气动热预测的新范式。对此,首先阐述了数据驱动气动热建模预测方法和经典气动热预测方法的相互关系。然后,从建模思路上将数据驱动气动热建模预测方法归纳为3类,即气动热特征空间降维建模预测、气动热逐点建模预测和气动热物理信息嵌入建模预测,并对这3类方法进行了详细介绍和分析总结。数据驱动气动热建模预测方法不仅比工程算法准确,而且和采样方法结合后,还能够有效降低实验测量和数值计算的工作量,给出的模型也更加高效简洁。最后,对数据驱动气动热建模预测方法的发展趋势进行了展望,指出数据驱动技术与经典气动热预测方法的深度结合、气动热物理信息嵌入建模预测方法和气动热预测大模型将会是未来研究的要点。

关键词：气动热预测数据驱动特征空间降维逐点建模物理信息嵌入

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《建筑能耗模拟用人行为基础数据标准》解读

建筑科学 2024年第4期40卷 1-7页

作者：潘毅群胡圣旸曾菲燕达李峥嵘李翠王闯简毅文陈淑琴丁研周翔杨斌张静思许鹏俞准潘嵩朱晗同济大学上海201804 清华大学北京100084 北京建筑大学北京100044 北京工业大学北京100124 浙江大学杭州310058 天津大学天津300072 天津城建大学天津300192 美的中央研究院流体力学研究所广东佛山528311 湖南大学长沙410082

人行为描述参数是影响建筑性能模拟准确性的最关键因素之一,以建筑能耗/性能分析为目标的人行为模拟技术在业界备受关注。目前,建筑能耗模拟中可选用的人行为模拟参数过于简化单一,缺乏灵活性,使得能耗模拟结果难以支持合理的系统比选... 详细信息

人行为描述参数是影响建筑性能模拟准确性的最关键因素之一,以建筑能耗/性能分析为目标的人行为模拟技术在业界备受关注。目前,建筑能耗模拟中可选用的人行为模拟参数过于简化单一,缺乏灵活性,使得能耗模拟结果难以支持合理的系统比选和技术评估。为加强模拟技术在建筑节能领域科学决策中的关键作用,促进以建筑能耗/性能分析为目标的人行为模拟工作的发展,特制定《建筑能耗模拟用人行为基础数据标准》。《标准》针对建筑性能模拟中用于描述人行为的多种模拟参数,规定了标准化的模拟参数生成方法,生成各种模拟参数所需要的基础数据,及其数据获取、处理和分析方法,从而提高建筑能耗模拟的精度。本文将从编制基础,应用范围及各部分内容展开说明介绍。

关键词：建筑能耗模拟人行为描述方法基础数据分析方法数据使用

基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

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航空学报 2024年

作者：李庆军贾贺鲁媛媛徐方暖王博中山大学航空航天学院北京空间机电研究所西北工业大学工程力学系西北工业大学深圳研究院

针对降落伞在展开后下降过程中，降落伞与空气流场之间的柔性结构流固耦合动力学问题，鉴于绝对节点坐标方法(ANCF)在描述柔性结构大变形问题时，克服了传统有限元建模方法带来的弹性变形与刚性变形强耦合问题；本文将基于ANCF建立柔性... 详细信息

针对降落伞在展开后下降过程中，降落伞与空气流场之间的柔性结构流固耦合动力学问题，鉴于绝对节点坐标方法(ANCF)在描述柔性结构大变形问题时，克服了传统有限元建模方法带来的弹性变形与刚性变形强耦合问题；本文将基于ANCF建立柔性伞绳和伞衣的力学模型；同时，考虑到光滑粒子流方法(SPH)在流场极大变形时，能够自然地捕获快速移动的界面和自由表面优势，本文将采用SPH模拟空气流场，通过弹簧-阻尼模型描述流体粒子和柔性结构之间的耦合效应，对大柔性降落伞进行流固耦合动力学仿真研究。通过数值试验发现：随着流场速度的增大，降落伞有效面积平均值虽然只出现小幅下降，但随时间变化的幅度显著增加。本文研究结果将为柔性降落伞设计提供理论支撑。

关键词：降落伞流固耦合绝对节点坐标方法光滑粒子流方法数值仿真

分部式多孔质T型槽机械密封耦合模型与性能分析

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摩擦学学报 2024年

作者：李学萍孟祥铠韩丽云赵文静彭旭东浙江工业大学化工机械设计研究所

为提高液体密封的开启力和降低端面磨损，将多孔质与T型流体动压槽相结合，提出了1种分部式多孔质T型槽机械密封结构（PPT-MS），考虑多孔质内流体渗流力学与密封端面液膜润滑力学间的耦合作用，建立了分部式多孔质T型槽机械密封的数值... 详细信息

为提高液体密封的开启力和降低端面磨损，将多孔质与T型流体动压槽相结合，提出了1种分部式多孔质T型槽机械密封结构（PPT-MS），考虑多孔质内流体渗流力学与密封端面液膜润滑力学间的耦合作用，建立了分部式多孔质T型槽机械密封的数值模型，采用有限单元法求解考虑液膜空化的Reynolds方程和渗流力学方程。研究了多孔质的渗透率和几何参数对密封性能的影响规律，揭示了PPT-MS的密封机理，对比分析了不同转速和密封压力下普通T型槽机械密封与PPT机械密封的密封性能。结果表明：在T型槽的逆风侧会产生低压区，多孔质放置在低压区具有空化抽吸作用，可将密封介质引入密封间隙，起到增大液膜开启力和强化润滑的作用；随着多孔质渗透率的增大，PPT机械密封的开启力增大，摩擦系数减小，同时泄漏率也会有一定的增加，综合考虑渗透率在1×10-14～5×10-14m2较为合适；当多孔质周向宽度占T型槽周向槽区宽度一半时PPT机械密封的开启力最大。研究结果可为多孔质机械密封的设计提供参考。

关键词：密封性能多孔质 T型槽渗透率空化

初始剪应力作用下饱和粉土液化流动特性试验研究

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岩土力学 2024年

作者：周正龙华凌霄徐令宇赵凯吴琪陈国兴南京工业大学土木工程学院南京工业大学岩土工程研究所

饱和粉土在地震作用下会发生液化变形，从而导致建立在其上的建（构）筑物发生破坏。工程场地区域内粉土单元通常存在初始剪应力作用，为探究初始剪应力对饱和粉土液化特性的影响，将液化后粉土视为流体进行了一系列循环扭剪试验研究。... 详细信息

饱和粉土在地震作用下会发生液化变形，从而导致建立在其上的建（构）筑物发生破坏。工程场地区域内粉土单元通常存在初始剪应力作用，为探究初始剪应力对饱和粉土液化特性的影响，将液化后粉土视为流体进行了一系列循环扭剪试验研究。试验结果表明，初始剪应力对饱和粉土剪应力-剪应变率曲线影响显著，随着初始剪应力τs的增大，剪应力-剪应变率曲线由“椭圆形”向“哑铃形”过渡逐渐转变为由“镰刀形”向“椭圆形”至“锤形”过渡；表观黏度η与振次N的衰减曲线随着τs的增大先降低再抬升，平均流动系数κ 与振次N的增长曲线发展速度随着τs的增大先加快后减慢，固液相变孔压比ruth随着τs的增大先减小后增大，当τs=5 kPa时饱和粉土的ruth最小。

关键词：饱和粉土初始剪应力液化流动循环扭剪试验