空气动力学学报

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2022年5期pdf合集

2022, 40(5).

摘要(63) PDF(40)

摘要:

李志文, 张磊, 李亮, 黄斌, 袁海涛

2022, 40(5): 1-14. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0011

摘要(538) HTML (433) PDF(150)

摘要:
星舰（Starship）是当前美国太空探索公司（SpaceX）推出的新一代可重复使用航天运输系统。本文基于公开资料，采用数值仿真方法，对星舰气动布局开展了建模、计算和分析，从升阻特性、配平特性、稳定性、上反控制与传统鸭翼对比等方面对星舰布局气动特性进行了论述，同时结合弹道计算情况，开展了热环境分析及防热材料、工艺分析，从总体设计的角度对星舰布局设计理念进行剖析。研究表明：星舰采用的前后翼控制方式与大攻角飞行相匹配，能够实现大攻角全速域可控，无尾布局横航向大攻角区间静稳定，上反控制与传统鸭舵相比大攻角飞行时具有高效、低热特点。综合来说，星舰气动布局任务需求明确，设计目标清晰、方案简洁合理。

交流电弧等离子体炬及其应用的研究进展

周法, 马汉东, 陈海群, 朱兴营, 刘祥

2022, 40(5): 15-29. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0176

摘要(701) HTML (115) PDF(90)

摘要:
电弧等离子体因其高温、高能量密度、高活性等特点广泛应用于冶金、化工、能源环保以及航空航天等领域。目前，产生电弧等离子体主要采用直流或交流电源等驱动方式。由于交流电弧等离子体技术与其他方式相比，具有较低的装备开发与运行成本、较长的电极使用寿命以及较高的热效率等优势，在工业应用领域具有广泛的应用前景。本文综述了国内外多家研究机构在交流电弧等离子体技术和装备开发以及工业应用方面的最新研究进展，详细阐述了不同类型交流电弧等离子体炬的结构特点、电弧特性及其影响因素以及不同电极材料的烧蚀特性，同时，对于交流电弧等离子体炬在碳纳米材料的制备以及固体废弃物的热处理等方面的应用情况进行了详细的阐述，获得了不同类型交流电弧等离子体炬的工作特性和应用效果。

融合物理的神经网络方法在流场重建中的应用

尧少波, 何伟峰, 陈丽华, 吴昌聚, 陈伟芳

2022, 40(5): 30-38. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0080

摘要(769) HTML (193) PDF(178)

摘要:
神经网络融合物理先验知识能极大提高其拟合复杂变量的能力，其中融合神经网络和物理控制方程的物理融合神经网络模型（physical-informed neural network, PINN），赋予传统神经网络所不具备的先验知识和可解释性。结合课题组对PINN方法的研究和应用，本文介绍了融合N-S方程的PINN神经网络模型预测能力。首先借助三维超声速槽道湍流的直接数值计算数据，耦合神经网络和可压缩N-S方程，应用PINN方法对槽流的瞬时流场的物理量进行预测，并对瞬时量及其统计平均值与DNS对应结果进行对比来验证训练所获PINN模型的可靠性。其次，借助不可压缩圆柱绕流与三维可压缩槽道流动的计算数据，利用PINN模型进行了N-S控制方程待定系数与待定项的重建，结果显示其在重建流场流动信息的同时可逼近方程的待定系数。研究结果证实了PINN方法可为建立流动物理模型提供工具和算法支撑。

高效率采样的数据关联融合气动力建模方法

宁晨伽, 王旭, 王文正, 张伟伟

2022, 40(5): 39-49. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0425

摘要(117) HTML (32) PDF(32)

摘要:
飞行器设计阶段的气动分析需要大量的高保真度气动力数据以提高设计性能，但其获取成本十分高昂。为了缓解建模成本与模型精度之间的矛盾，构建了关联不同保真度数据的多保真度气动数据融合模型，并提出了最优关联点选取方法和均匀性增强序贯采样方法，以此实现co-Kriging变可信度模型的高效初始化与最速收敛。作为验证，选用标准数值算例开展建模研究，并结合统计结果对方法精度优劣进行了对比。最后将该建模框架成功应用于NACA0012翼型跨声速气动力工程算例当中。结果表明，与传统模型相比，在仅有的少量高保真度样本下，所采用的方法可以大幅提升变可信度模型收敛精度和建模效率，有效降低了采样成本；相较于高保真度单精度元模型，误差可降低50%以上。

迎角对扑翼运动气动性能影响的高性能数值研究

祝衔琦, 孙祥程, 王娴

2022, 40(5): 50-60. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0038

摘要(220) HTML (141) PDF(44)

摘要:
为了设计更高效、高机动性的扑翼飞行器，需要对扑翼运动机理进行细致的动力学研究。其中，迎角是影响扑翼运动气动性能的关键因素。本文结合格子Boltzmann法与Level-Set动边界识别法，建立了含有动边界的流场模拟方法，并采用GPU加速，数值研究了迎角对扑翼运动气动性能的影响。结果表明：增大迎角，扑翼运动的升阻比呈现先增大后减小的趋势，当迎角θ = 10°时，能够获得最佳气动性能。θ = 0°～40°范围内，随着迎角的增大，扑翼翼尖处的上下翼面压差比翼根、翼中处大，在翼尖处提供了更大的升力。随着迎角的增大，扑翼的前缘涡附着于翼面的面积明显增大，扑翼后方脱落的涡旋也较难耗散，提高了扑翼的升力；同时，翼尖涡的强度和影响范围变大，增加了扑翼的阻力。

基于麦克风阵列的运动声源识别技术

周家检, 郝璇, 陈大斌, 付增良, 梁彬, 张旭

2022, 40(5): 61-70. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0127

摘要(151) HTML (74) PDF(27)

摘要:
麦克风相阵列测量技术是气动噪声研究的重要手段。针对利用麦克风相阵列技术识别运动声源的难点，对时域波束形成算法、解多普勒效应技术等核心技术开展了研究，建立了适用于运动声源的麦克风相阵列测量技术。通过运动声源仿真，验证了阵列数据处理算法，进而分析了航迹误差和数据长度对声源识别的影响。提出了一种考虑声传播相关性丢失问题的阵列优化设计方法，设计了满足无人机噪声飞行试验需求的阵列。在此基础上，基于某型无人机噪声飞行试验开展运动声源识别技术验证，实现了起飞和低空平飞状态螺旋桨和发动机噪声源的定位与识别。

旋翼悬停状态形变特性及其对噪声的影响

李志彬, 曹亚雄, 林永峰, 孙伟, 袁明川

2022, 40(5): 71-78. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0047

摘要(165) HTML (67) PDF(28)

摘要:
为研究桨叶弹性形变对旋翼气动噪声的影响，基于Camrad Ⅱ软件和FW-H方程，建立了考虑桨叶弹性形变的旋翼悬停气动噪声计算模型。其中，桨叶弹性形变量采用Camrad Ⅱ的弹性桨叶模型计算，形变桨叶外形采用三维网格精确描述，结合Camrad Ⅱ计算得到的旋翼非定常气动载荷，最后基于FW-H方程进行了形变旋翼悬停噪声的计算分析。同时，在风洞中采用双目立体视觉方法对模型旋翼进行形变测量试验，通过Camrad Ⅱ的仿真数据与试验数据的对比分析，发现仿真数据与试验数据基本吻合，验证了Camrad Ⅱ具有较好的可靠性，能够准确预估悬停状态下桨叶的弹性形变量。全尺寸旋翼的悬停噪声计算结果表明：在典型工作状态下，旋翼桨叶会发生明显的弹性形变，尤其在挥舞方向；桨叶形变不会改变旋翼悬停气动噪声的方向特性；在噪声的主要传播方向上，桨叶形变对厚度噪声和载荷噪声均会产生作用，进而导致总噪声的最大变化量约1.0 dB。通过本文研究表明，在对旋翼气动噪声，尤其是载荷噪声成分进行精确计算时，考虑桨叶的弹性形变是非常必要的。

基于前缘合成双射流的飞翼布局纵向气动控制特性研究

邓雄, 赵志杰, 王秋旺, 罗振兵, 刘杰夫

2022, 40(5): 79-90. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0049

摘要(125) HTML (21) PDF(26)

摘要:
为兼顾飞翼布局飞行器的隐身性和气动操控性，提出了一种基于合成双射流的飞翼布局纵向气动控制技术，研究其对小后掠飞翼布局大攻角下的气动操控能力。采用数值模拟方法，分析了前缘阵列式合成双射流与不同攻角飞翼布局流场的相互作用，探究其对飞翼布局纵向气动特性的影响，最后对比了传统合成射流控制，突出了其优势。结果表明：前缘阵列式合成双射流可有效提高大攻角升力、减小阻力，增大升阻比，同时还会使俯仰力矩出现非线性变化，具备大攻角滚转姿态操控能力；合成双射流在前缘形成周期性涡结构，增强了边界层底部低速流体与主流的动量交换，提高了边界层抗逆压梯度的能力；攻角8°～10°时，合成双射流可完全抑制前缘分离，但攻角10°时，在靠近后缘处形成分离区，使升力略有减小；攻角12°时，合成双射流可推迟流动分离，分离线移动至机翼中段；攻角14°～16°时，合成双射流虽然仅可有效抑制靠近展向分离起始位置处的流动分离，但同时也增加了分离区内的流动能量，有效提高升力；攻角18°时，吸力面近乎完全分离，合成双射流虽未能有效抑制分离，但会使前缘吸力峰值回升，仍有增升、减阻的效果；与合成射流相比，合成双射流控制产生的气动变化量更大，更具应用潜力。

强对流条件下使用p-VOF方法的低温圆管二维结霜模拟

夏斌, 梁新刚, 徐向华

2022, 40(5): 91-99. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0074

摘要(197) HTML (120) PDF(24)

摘要:
为进行强对流条件下低温表面的结霜模拟，新发展了称为p-VOF方法的结霜模拟方法，该方法是一种用于有相变发生的多相流模拟的伪VOF方法：通过显式求解简化的质量守恒方程得到霜相的体积分数变化，替代CFD软件中原有的体积分数方程的求解。使用p-VOF方法对强对流条件下低温圆管的二维结霜进行了模拟，分析了强对流条件下低温圆管结霜的大致规律与特征。在常物性霜层条件下，来流湿度越大或管壁温度越低，霜层生长速率越快，霜层越厚；来流速度越大，在结霜初期的霜层生长速率越大，但霜层生长速率明显减慢的时间越早，最终的霜层也越薄。研究表明p-VOF方法能够正确反映圆管外形下流动、传热与霜层形貌变化的相互耦合关系，可用作强对流下的低温圆管二维动态结霜模拟的基础方法。

基于优化概率神经网络的飞机结冰情况识别

丁娣, 钱炜祺, 汪清

2022, 40(5): 100-109. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0022

摘要(161) HTML (57) PDF(20)

摘要:
针对飞机飞行过程结冰情况识别和预警需求，利用概率神经网络开展直接基于飞行状态的飞机结冰情况识别研究。首先利用双水獭结冰研究飞机的结冰数据，建立结冰飞行动力学模型，生成飞机在干净外形、中度和重度机翼结冰以及中度和重度尾翼结冰五种情况下的大量飞行仿真数据，作为分类神经网络训练和性能评估的基础；再基于大量飞行仿真数据分析各飞行状态变量受结冰影响的显著程度，选择受结冰影响较大的6个状态变量作为识别网络的输入；提出了一种传播参数优化策略对基于概率神经网络的结冰分类精度进行优化，在此基础上对6个状态输入的结冰分类结果展开对比分析，发现基于这6个受结冰影响较大的状态变量构建的优化概率神经网络，对于训练和评估数据均具有较高的分类精度，对于训练数据分类精度均可达到100%，对于评估数据，分类精度最高的网络正确率可达99.1%，效果最差的网络分类精度也超过85%；快变量对于评估数据分类精度较高，但对泛化性评估数据的分类精度偏低，慢变量则正好相反；基于快变量攻角α和慢变量位移x_e的神经网络分类效果相对较好，若不考虑风场扰动的变化，基于攻角α的分类网络的最大误报概率不超过1.4%，若综合考虑风场扰动变化的情况，则采用基于x_e的分类网络效果更好，对于五种结冰情况最大误报概率整体不超过10%。最后利用两种支持向量机方法与优化概率神经网络的分类精度进行对比，进一步验证该方法的性能。

阔叶林风场特性及风致动力响应的现场实测研究

辛大波, 姜海新, 张洪福

2022, 40(5): 110-121. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0071

摘要(131) HTML (66) PDF(16)

摘要:
强风对于单体树木和森林系统造成的损坏巨大，不可忽视。保障树木风致安全的首要问题是掌握强风下树木-风相互作用特性。特别是，树木的风致响应。基于此，以黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站的落叶阔叶林为研究对象，实测研究了三次强风时段的林间平均风与脉动风特性，分析了林中一棵白桦树的脉动风荷载及风致响应。研究结果表明：树木的扰动作用导致平均风随高度发生偏转，在冠层高度范围以内偏转梯度大，冠层高度以外偏转梯度较小；最大风偏转角度近似为67°。树木的扰动作用增加了冠层内风场的湍流强度，这一影响随着来流风强度的增加而增加。三次强风作用下，树木在脉动风作用下呈现出复杂的随机振动，振动响应的峰值频率与树木自由振动的峰值频率一致，与来流风的脉动风特性无关。阔叶树的机械传递函数的峰值频率与响应功率谱的峰值频率基本一致，树木风致响应的机械传递函数几乎与受迫阻尼谐振子的传递函数相同，这一点与针叶树具有相似的特征。

CPR方法与高分辨率二阶格式的混合算法

郭嘉, 朱华君, 石国权, 燕振国, 宋松和, 唐玲艳

2022, 40(5): 122-132. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0130

摘要(179) HTML (68) PDF(24)

摘要:
重构修正方法（correction procedure via reconstruction，CPR）具有紧致高效的优点，但对较强激波的捕捉能力还相对较弱，而加权紧致非线性格式（weighted compact nonlinear scheme，WCNS）具有很强的激波捕捉能力。将基于高阶WCNS插值的二阶格式引入到高阶CPR方法中，构造了一种高效高分辨率的混合激波捕捉格式。首先，基于非线性权偏离线性权的程度的激波侦测器侦测出问题单元，并在问题单元附近引入缓冲单元，其余单元则标记为光滑单元。然后，针对问题单元和缓冲单元采用二阶格式计算，光滑单元采用CPR方法计算，构造混合格式。通过对等熵涡问题、含激波的问题以及激波旋涡干扰问题的数值模拟，测试了混合格式的精度、激波捕捉能力和计算效率。数值模拟结果充分说明了该混合格式具有很强的激波捕捉能力，同时在光滑区具有高分辨特性，可以应用于高超声速流动问题的高效数值模拟中。相比于基于高阶WCNS插值的二阶格式，此格式具有更高的计算效率和更高的分辨率。

“面向工程应用的网格生成”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(5): 133-133.

摘要(63) HTML (35) PDF(15)

摘要:

面向高性能数值模拟的并行网格生成软件研制

郑澎, 冷珏琳, 徐权, 刘田田, 杨洋, 高俊琪, 董庆利

2022, 40(5): 134-145. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0332

摘要(360) HTML (102) PDF(68)

摘要:
网格是开展大多数数值模拟计算的必要条件。面向高性能数值模拟应用，几何结构日趋复杂，局部特征日趋精细，网格规模将达到十亿规模以上，这就要求网格生成既要高效处理复杂模型，又要自适应刻画局部特征，更要考虑大规模网格向解算器的低开销传输，因此研制并行网格生成软件对推动高性能数值模拟应用具有重要价值。首先从算法研究、软件产品化两个层次论述相关领域的国内外情况，接着介绍了自主可控软件SuperMesh的架构设计和关键技术进展，最后探讨了并行网格生成技术的未来发展方向。

基于支持向量回归的动网格技术研究

高翔, 廖海翔, 徐传福

2022, 40(5): 146-157. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0317

摘要(213) HTML (66) PDF(29)

摘要:
为了提高动网格生成的计算效率，深入分析了广泛使用的径向基函数插值动网格方法，进一步放宽其贪心选点的约束条件，提出并完善了一种基于支持向量回归的高效动网格技术，并给出了该机器学习算法针对网格运动的适配方案。基于基准案例的三套疏密网格和四类运动形式，对不同径向基核函数的拟合性能进行了全面测试分析。以前期采用的高斯核函数方法为基准，进一步通过典型动网格案例，量化对比了筛选出的核函数在网格变形质量、计算效率和参数设置等方面的能力。结果表明基于CP C²和IMQB核函数支持向量回归的动网格方法具有良好的变形能力和计算效率。

旋翼流动的块结构化网格自适应方法

肖中云, 郭永恒, 张露, 崔兴达

2022, 40(5): 158-165. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0255

摘要(195) HTML (96) PDF(50)

摘要:
从旋翼的旋转运动和旋涡环绕流场特点出发，探讨了流场计算中的双网格建模方法，即采用结构化贴体网格随桨叶一起运动，采用背景网格的自适应加密模拟旋涡的空间演化。发展了块结构化的背景笛卡尔网格生成方法，网格以块为单位进行加密或稀疏变化，所有网格块的网格维数相同，采用八叉树数据结构和空间填充Z曲线进行管理，满足自适应加密和并行分区的需求。采用该方法对UH-60A旋翼进行了网格建模，在以桨叶贴体网格为输入的前提下自动生成了初始笛卡尔背景网格，同时针对旋翼的悬停和前飞状态流场，分别采用Landgrebe和Beddoes尾迹模型为网格加密提供线索。在此基础上对空间背景网格进行了自适应加密，最大允许网格加密层次为9层，桨尖涡目标区域的网格尺度为0.01倍弦长。结果表明，当前笛卡尔自适应网格方法足够灵活，能够根据桨尖涡位置变化进行网格加密或稀疏操作，自适应网格加密受最大加密层次、目标加密区域的大小和目标区域的网格间距等因素决定。本文的自适应方法具有网格调整效率高的特点，在提高非定常桨尖涡模拟精度方面有一定的应用前景。

面向错位装配体的自动曲面嵌入算法

刘智伟, 杨洋, 陈建军, 郑澎, 夏一帆

2022, 40(5): 166-174. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0005

摘要(168) HTML (69) PDF(27)

摘要:
分部件建模获得的装配体其部件和部件之间的共享区域在不同部件中存在多份表征，直接在该模型的原始边界表征上生成网格，重叠区域的网格在几何和拓扑上都不兼容，不能用作数值模拟分析。针对错位装配体中的重复表征问题，应用连续-离散混合曲面造型方法，提出了适用于装配体模型的自动曲面嵌入算法，该算法在离散层面上通过线段-三角形相交计算边界相交图，并通过拓扑操作移除三角形相交问题，完成离散曲面的嵌入；而后根据边界相交图及离散嵌入结果，设计相应的曲线曲面分裂合并等操作，完成连续曲面B-rep上的自动曲面嵌入。并在典型算例下用嵌入后的B-rep为输入，以其网格生成结果来验证了该自动曲面嵌入算法的有效性。

三维复杂外形的双曲型非结构网格生成方法

张启明, 叶友达, 蒋勤学, 田浩

2022, 40(5): 175-185. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0186

摘要(271) HTML (71) PDF(55)

摘要:
为了实现棱柱网格的自动化生成，发展了使用双曲型偏微分方程生成棱柱网格的方法。利用网格正交性条件和单元体积约束相结合的双曲偏微分方程，从物面网格向外逐步推进生成棱柱形网格。通过类比结构网格双曲型网格生成方法，在非结构网格局部格点坐标系上建立了双曲型网格生成方程，通过格点有限体积法、迎风格式和隐式的方法离散控制方程，使用GMRES求解器求解线性方程组，进而自动生成棱柱网格。该方法应用于球外形、具有尖锐边缘、深凹高凸的旋成体外形、双椭球外形以及X38复杂飞行器，生成的网格表现出良好的正交性和光滑性，表明本文的方法是成功的。数值仿真结果表明本文的网格适用于气动力热的数值模拟。

面向脏几何的曲面网格自动生成算法

孟祥桥, 刘智伟, 刘陶然, 陈建军

2022, 40(5): 186-194. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0400

摘要(277) HTML (58) PDF(26)

摘要:
脏几何是存在法向错误、穿插、狭缝、贴合等问题的几何模型，在此类模型的原始边界上直接生成网格无法避免上述问题。因此，在脏几何上无法直接生成拓扑相容的表面网格，这也将影响后续数值分析研究的开展。本文实现了一种基于四面体化方法的脏几何网格生成算法，其核心思想在于一个有效的四面体网格的表面一定是一个有效的曲面网格。本文对几何的离散表征进行法向修复，并在此基础上生成四面体网格，通过离散边界切割四面体解决了模型中存在的穿插问题，基于四面体质量提升解决狭缝问题，并应用曲面网格重构以提升表面网格质量。本文采用视图采样的方法实现法向修复，从多个方向观察该模型，使其在各个方向上的视图均满足质量要求；使用多级的能量阈值提升四面体优化效率；采用多级误差估计来避免曲面网格重构中可能出现自相交的问题。数值验证结果表明本文的脏几何曲面网格自动生成算法鲁棒、高效。

关于《空气动力学学报》变更为单月刊的通告

2022, 40(5): 195-195.

摘要(52) HTML (41) PDF(7)

摘要:

留言板

2022年第40卷第5期

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2022年 第40卷 第5期

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