空气动力学学报

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2023年第41卷第8期

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研究专栏——庆祝国防科技大学建校70周年
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2023年8期pdf合集

2023, 41(8)

[摘要](34) PDF(38)

摘要:

研究专栏——庆祝国防科技大学建校70周年

载人月球探测轨道设计的挑战与技术发展趋势

周建平, 陆林, 李泽越, 彭祺擘, 李海阳

2023, 41(8): 1-12. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0100

[摘要](42) HTML(11) PDF(44)

摘要:
轨道设计是载人月球探测工程中的一个重要问题，直接影响工程实施的效果、甚至成败。本文概述了载人月球探测工程中涉及的飞行轨道，指出了轨道设计所面临的三方面挑战，即飞行轨道方案、轨道设计效率、任务全局最优化的挑战；简要介绍了国内外载人月球探测轨道设计的研究进展；提出了当前载人月球探测轨道设计需要重点突破的几个关键技术问题，包括一体化轨道设计与优化、应急任务轨道设计、地月空间任务高鲁棒性轨道设计、月球轨道空间站的轨道设计和地月空间轨道通用设计软件等问题。

吸气式高速飞行器一体化方案：回顾与展望

王振国, 梁剑寒, 范晓樯, 赵玉新, 王翼, 赵一龙, 熊冰

2023, 41(8): 13-25. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0116

[摘要](68) HTML(21) PDF(95)

摘要:
通过梳理吸气式高速飞行器一体化发展脉络，回顾和分析了技术验证、实用化和未来重复使用阶段飞行器一体化方案的主要研究内容和关键进展。在技术验证阶段，设计者针对轴对称构型和升力体构型提出多种一体化方案及对应设计方法，有力支撑了高速飞行技术验证，丰富了一体化设计理论。在实用化阶段，高速飞行技术工程应用对一体化提出严苛的约束，一体化主要解决流量捕获、设备装载和升阻比之间的矛盾，逐渐形成腹部进气布局一体化方案。针对未来重复使用飞行器，更多样的动力模式、更复杂的气动外形对一体化设计提出更高要求，高效、宽范围的动力系统、高度一体化的翼身融合构型、更优的进气布局方案是吸气式高速飞行器一体化设计的重要发展方向。

大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用

宋君强, 白皓坤, 程彬, 张宁, 张卫民, 冷洪泽, 赵文静, 张泽

2023, 41(8): 26-43. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0104

[摘要](49) HTML(14) PDF(43)

摘要:
航空湍流是威胁飞行安全的重要因素，它的形成机制复杂，一直是航空气象研究中的重点难点问题之一。近年来，随着大涡模拟（large eddy simulation，LES）技术的发展，LES已经成为研究航空湍流问题的重要方法。本文围绕在飞机起降阶段的飞机尾涡和低空湍流以及巡航阶段的对流湍流、山地波湍流和晴空湍流这五类航空湍流对飞机颠簸造成的影响，综述了LES技术在相关方向的研究进展，并对LES技术应用中亟需解决的问题及未来的重点研究方向进行了总结与展望。整体来看，航空湍流的LES模拟研究已经取得较大进展，高分辨率的LES可以更加明确航空湍流的来源和生命周期，显著提升了对航空湍流的机制认知和诊断预警能力。但在机制方面，对各种复杂湍流过程的相互影响机制仍然不够清楚；在数值模式技术方面，LES模拟与模式初始状态、边界条件和模式参数化方案的敏感性问题仍然有待解决。未来，LES与中尺度区域模式变网格嵌套技术、动态网格技术、集合预报与概率预报技术的发展，以及与深度学习等方法的结合都将进一步有效提升LES在航空湍流模拟方面的计算效率和预报能力。

高速空气动力学三大手段数据融合研究进展

唐志共, 袁先旭, 钱炜祺, 肖涵山, 毕林, 王文正

2023, 41(8): 44-58. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0096

[摘要](124) HTML(17) PDF(102)

摘要:
风洞试验、数值计算和模型飞行试验三大手段的深度融合，是开展新一代高速飞行器研究的必然需求。本文重点介绍了高速风洞试验设备、数值计算软硬件建设和航天模型飞行试验能力建设情况，以及自主研制的表面温度、热流、脉动压力、摩阻等飞行试验测量技术；并根据气动数据融合特点，提出了一种基于气动数据和物理模型相关度的融合准则，发展了基于组合深度神经网络的气动数据融合方法，解决了不同来源数据之间的数据关联问题，大幅提升了融合数据的可信度，在某高速飞行器俯仰力矩系数和头罩典型构型的气动热数据天地关联方面得到成功应用；综合运用三大手段，开展了高速激波-边界层干扰基础流动问题研究，建立了激波-边界层干扰力/热载荷天地相关性经验公式，修正了压力-热流关联关系，并首次证实了分离泡低频振荡现象在真实飞行条件下客观存在。

壁面质量引射对高速飞行器减阻降热影响的研究

朱广生, 段毅, 姚世勇, 范月华

2023, 41(8): 59-70. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0136

[摘要](68) HTML(31) PDF(105)

摘要:
针对未来新型高速飞行器高升阻比和低热载荷的发展需求，本文选取贴近工程实际应用的三角翼为研究对象，开展了飞行状态下大面积壁面质量引射对减阻降热影响的数值模拟研究，对比分析了壁面质量引射在不同的飞行高度、来流马赫数、引射流量、引射温度和气体模型条件下对三角翼气动力热特性的影响。从高速飞行器减阻降热的工程需求出发，指出了质量引射流动控制在工程应用中存在的问题与后续应重点关注的方向。

研究论文

高焓流动中的可压缩颗粒求解器（第1部分）：考虑多物理效应的点力颗粒两相流理论方程

李青, 涂国华, 李婷婷, 陈坚强, 袁先旭

2023, 41(8): 71-86. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0053

[摘要](176) HTML(99) PDF(50)

摘要:
从含烧蚀颗粒的高超声速边界层到航空发动机燃烧室或火箭发动机燃烧室里的气液、气固两相燃烧等问题，都存在弥散相颗粒调制携带流体的两相耦合物理过程。尽管不可压颗粒两相流的理论、数值工具和实验都比较成熟，但可压缩颗粒两相流与不可压缩的情况是截然不同的。本文首先对可压缩颗粒两相流动力学和热力学进行理论研究，理论分析了经典的可压缩流体动力学和热力学方程，把颗粒动力学对不可压流动的调制理论修正拓展到了可压缩情况，发现了可压缩颗粒两相流特有的动量和能量调制无量纲参数；推导了考虑多物理效应的颗粒动力学方程，并将其与携带流体相的控制方程耦合。研究发现，尽管多物理效应下的颗粒动力学是复杂的，但其影响携带流体相的路径是唯一确定的，即：多物理效应的颗粒动力学仅能通过相间阻力调制携带流体相的动量，通过相间阻力做功和热对流调制携带流体相的能量。

基于物理信息神经网络的气动数据融合方法

刘霞, 冯文晖, 连峰, 张帅宇, 张光华, 孔轶男, 韩崇昭

2023, 41(8): 87-96. doi: 10.7638/kqdlxxb-2023.0060

[摘要](61) HTML(35) PDF(41)

摘要:
为了解决训练传统深度神经网络对大数据的依赖问题，气动数据中包含的物理结构信息需要被充分利用。物理信息神经网络（physics-informed neural network, PINN）是一种非监督的学习算法，采用深度神经网络直接逼近流场偏微分方程的解，因此适用于气动数据的建模。然而训练PINN时，损失函数反映的是抽样点处神经网络所拟合的偏微分方程值的偏差，对于复杂的非线性偏微分方程，这一偏差不能准确反映神经网络所拟合的函数与微分方程解函数的偏差，而且用神经网络拟合初始条件和边界条件时，不可避免存在拟合误差，误差随空间和时间累计，这使PINN的建模精度相比传统的模型没有优势。为了解决这些问题，本文把PINN与流场的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真结果进行融合，在流场抽样点处的损失函数中增加了PINN在该点的输出与流场在该点的CFD值偏差，从而提高了神经网络的建模精度。根据CFD仿真时使用的模型，融合方式采用瞬时模式或时均模式。测试结果表明该方法能够有效提高PINN的建模精度。

曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

周锦翔, 肖鸿威, ADNAN Khan, 牛小东

2023, 41(8): 97-106. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0133

[摘要](104) HTML(62) PDF(28)

摘要:
针对在欧拉-拉格朗日网格框架下曲边界上的两相流润湿边界条件实施问题，本文提出了一种简单扩散界面浸没边界法。在此方法的框架下，静止和移动曲边界的湿润边界条件都可以采用平板边界方式处理。在该方法中，我们在实际边界内外一个拉格朗日网格间距处添加了两层虚拟贴体拉格朗日网格，并通过插值得到三层拉格朗日点上的序参数，从而得到实际的曲边界润湿条件。该方案实施思路简单，不仅适用于静止曲边界，还适用于复杂的运动曲边界。为了验证该方法的有效性，本文在广义守恒相场格子玻尔兹曼方法（LBM）框架下，模拟了静态液滴在圆柱上的铺展、动态液滴撞击圆柱、圆柱在水池中沉降三个问题。结果表明该方法能够有效地模拟曲面上的两相流动，具有良好的精度、鲁棒性和质量守恒性。

非高斯风场作用下桥梁抖振响应研究

罗颖, 任达程, 韩艳, 董国朝

2023, 41(8): 107-116. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0085

[摘要](112) HTML(26) PDF(9)

摘要:
为研究非高斯风场作用下桥梁结构的抖振响应特性，以太洪长江大桥为例，基于Hermite多项式模型，模拟了非高斯脉动风场时程，计算了不同平均风速下不同非高斯特性脉动风场的抖振响应。结果表明：非高斯风场作用下结构响应的幅值和均方根值均比高斯风场更大，非高斯特性越强，均方根值越大；随着平均风速的增加，风场峰度对结构响应均方根的影响逐渐明显。因此，对于非高斯风场，高斯过程假定低估了实际的响应情况。此外，不同非高斯特性脉动风场作用下，结构响应的偏度和峰度均趋近高斯过程的结果。

气液两相流混合模型代数重构方法

张伦, 牟斌, 蒋浩, 王建涛

2023, 41(8): 117-123. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0107

[摘要](77) HTML(56) PDF(20)

摘要:
为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率，增强多介质流体界面问题的模拟能力，基于代数重构方法，应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构，实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合，抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象，保持界面清晰尖锐；引入预处理技术，解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题，提高收敛速度；应用双时间进行非定常时间推进。最后，采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证，数值结果显示，耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时，获得了更高的自由界面分辨率，以及更丰富的多相流动细节。