空气动力学学报

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赵暾, 周宇, 程艳青, 钱炜祺

2021, 39(5): 19-26. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0176

[摘要](623) HTML(257) PDF(162)

摘要:
建立了一种基于内嵌物理机理神经网络（PINN）的热传导方程的正问题及逆问题求解方法。该方法利用自动微分技术将一维热传导方程嵌入到深度网络的损失函数中，通过以损失函数最小为目标来优化深度网络，求解一维热传导方程以及对方程中的未知导热系数进行辨识。随后，分析了基于PINN求解正问题的收敛精度以及参数辨识的鲁棒性，并得出以下结论：在给定网络结构的情况下，基于PINN求解一维热传导方程的收敛误差在样本点数较少时主要由采样误差主导，而当样本点数较多时，收敛误差由优化误差主导；由于损失函数中包含了方程相关的正则化项，以及采用了自动微分技术，因此，基于PINN的参数辨识方法噪声标签数据具有较强的鲁棒性。

CFD不确定度量化方法研究综述

陈鑫, 王刚, 叶正寅, 吴晓军

2021, 39(4): 1-13. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0012

[摘要](784) HTML(433) PDF(263)

摘要:
随着计算流体力学（CFD）算法和软件的不断发展和完善，CFD数值模拟已经在涉及流体力学的各个领域发挥着日益重要的作用。不确定性因素在CFD计算过程中普遍存在，并且会对数值模拟结果造成影响。发展CFD不确定度量化方法，既能满足工程实践中对CFD可信度评估的需求，同时也能够支撑飞行器的精细化设计。本文旨在总结不确定度量化方法及其在CFD领域中的发展与应用。首先介绍CFD计算中的不确定性来源，以及不确定性的表现形式—随机不确定性和认知不确定性。然后按照不确定性的表现形式介绍对应的不确定度量化方法。最后介绍不确定度量化方法在CFD计算中的发展与应用，并且给出进一步开展不确定度量化工作的建议。

直升机关键技术及未来发展与设想

吴希明, 牟晓伟

2021, 39(3): 1-10. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0042

[摘要](590) HTML(243) PDF(118)

摘要:
本文针对直升机特有的技术特点，尤其是其区别于固定翼飞机的飞行原理、复杂气动和结构动力学特性、极致重量设计等，对包括气动、振动、噪声、地面共振/空中共振、抗坠毁、安全性及重量控制等方面的直升机技术难点进行剖析，对问题产生的原因、机理进行深入浅出的分析，对当前技术发展情况及解决方法进行了阐述。随后对世界直升机技术发展方向进行了分析与探讨，提出未来直升机技术将以高速、绿色、智能化、无人及安全飞行等方向为重点，并结合我国直升机技术发展现状和未来发展趋势，提出了我国直升机技术未来发展的三个重要方向—先进直升机旋翼桨叶翼型设计技术、智能旋翼技术和高速直升机技术，提出了各发展方向的关键技术的科学内涵和解决途径，为我国直升机未来发展提供思路。

可压缩湍流边界层壁面函数方法综述

毛枚良, 闵耀兵, 王新光, 陈琦, 叶涛

2021, 39(2): 1-11. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0028

[摘要](214) HTML(70) PDF(60)

摘要:
以建立工程实用的高超声速湍流边界层模拟方法为目标，从湍流壁面函数是湍流边界层方程近似解的角度，梳理了相关文献的研究工作，得到如下认识：1）壁面函数与所求定解问题数值解的相容程度决定了壁面第一层网格允许放粗的程度，在流动分离点和再附点附近区域，目前壁面函数尚需进一步完善，而“子网格”壁面函数从理论上解决了相容性问题，尽管要耗费更多计算资源，但在目前计算资源相对充裕的条件下，仍不失为一个解决问题的途径；2）对于具有强压缩性和显著气动加热的高超声速湍流边界层流动而言，常用的解析形式并未充分考虑可压缩性和传热的影响，并在文中进行了重点探讨。最后，建议基于数据驱动技术和依托“子网格”壁面函数方法来发展更加普适的壁面函数。

机器学习辅助湍流建模在分离流预测中的应用

尹宇辉, 李浩然, 张宇飞, 陈海昕

2021, 39(2): 23-32. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0155

[摘要](264) HTML(100) PDF(50)

摘要:
数据驱动湍流建模是近年来发展的提高雷诺平均N-S方程预测精度的有效手段，通过机器学习算法能够从高置信度数据中自动提取特征，建立准确的从平均流动特征到雷诺应力的预测模型。针对高雷诺数下积冰翼型绕流这一类典型的复杂流动分离问题，基于此前研究者提出的机器学习预测框架，从输入输出特征选择和翼型绕流中数据分布特性两个方面出发，对机器学习预测结果的光滑性和准确性进行改善。提出了基于雷诺应力张量分析和流动特征辨识的输入特征选择准则；提出了局部区域建模方法以及基准模型和机器学习预测模型混合的代入计算方法。将改进方法应用于积冰翼型绕流问题之中，结果表明改进的方法能够准确给出训练集和预测集上的雷诺应力结果，并且代入平均流计算可以得到和真实分布更加接近的流动和机翼表面压力分布。

可压缩湍流的多尺度分析

陈十一, 王建春, 郑钦敏, 王小宁, 滕健, 万敏平

2021, 39(1): 1-17. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0159

[摘要](411) HTML(85) PDF(75)

摘要:
作者的研究团队近几年在可压缩湍流的多尺度性质方面开展了系统的研究工作。通过多过程分解，研究了可压缩湍流中的速度和热力学量的剪切部分、胀压部分、伪声模态、声模态、熵模态的多尺度性质，并总结了各类可压缩条件下的速度和热力学量的谱的标度律。通过滤波方法，研究了动能和热力学量的多尺度传输现象，并重点分析了可压缩性对动能胀压部分的多尺度传输的影响。在可压缩均匀剪切湍流中，可压缩效应更加明显，可压缩湍动能和耗散率等物理量的马赫数标度率与各向同性湍流类似，但胀压分量所占比重更大，并且变形速度张量特征值的概率密度函数和流动拓扑结构的比例分布等统计量随马赫数的变化也更加明显。对于振动非平衡可压缩各向同性湍流，平动-转动内能模式和振动内能模式间的弛豫效应导致密度梯度与振动温度梯度方向的偏离，从而弱化了流场中压缩和膨胀运动对振动弛豫率的影响。化学反应放热会显著增加流场的压缩与膨胀运动，导致速度胀压分量和热力学量的能谱在所有尺度均增大，湍动能和耗散率的标度律表现出马赫数无关性。

计算流体力学的时空观：模型的时空关联性及算法的时空耦合性

李杰权

2021, 39(1): 92-110. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0162

[摘要](174) HTML(76) PDF(29)

摘要:
流体力学中波的有限传播、粒子的碰撞、各种力之间相互作用，无不体现时空关联效应。本文从计算方法的视角探讨计算流体力学的时空观，即流体力学模型的时空关联性和计算方法的时空耦合性。从流体力学微团法建模出发，明确模型时空关联性的涵义，建立有限体积格式的基本原理，阐述算法时空耦合的必要性，实现流体力学基本控制方程物理建模与有限体积格式数学原理的统一。在实践中，给出时空耦合高精度数值方法设计思路，利用算例比较它与时空解耦方法的差别。期望通过时空观的建立，对未来计算流体力学的算法研究提供帮助。

基于高阶方法的工业大涡模拟进展

王志坚

2021, 39(1): 111-124. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0174

[摘要](101) HTML(57) PDF(19)

摘要:
It is now well-known that high-order methods can be orders of magnitude faster than 2 order methods to achieve the same accuracy for scale resolving simulations. Because of that potential, much progress has been made in "industrializing" these high-order methods for real world applications. The use of large eddy simulation in industry especially in turbomachinery has seen a significant increase in the past decade, perhaps because of the relatively low to medium Reynolds numbers in gas-turbines and the high-impact of such simulations in understanding key flow physics. In this article, we review recent progress made in enabling LES using high-order methods in the last decade, and identify the most profitable areas of research in the near future to push LES into the design process.

基于BVD原理的高保真空间重构方法

肖锋

2021, 39(1): 125-137. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0150

[摘要](215) HTML(47) PDF(19)

摘要:
简要综述了一类基于单元边界变差最小化（Boundary Variation Diminishing，BVD）原理，设计双曲守恒律高保真数值格式的空间重构方法。BVD原理要求尽量减少通过重构得到的网格边界两侧物理量之间的差，从而能够有效地控制黎曼求解器中的数值黏性。BVD方法针对数值解的空间分布特征，选择多个函数作为空间重构的候补函数，并根据BVD判定准则从候补函数中选取最合适的函数进行空间重构。BVD判据不需要根据求解对象进行经验参数（阈值）的调整。选用适当的候补函数和BVD准则，可以完全避免现有算法中为抑制数值振荡而必须采用的非线性限制。BVD格式能在抑制数值振荡的同时，有效地控制数值耗散，可以对光滑解与间断解都获得高保真的计算结果。本文概述了BVD方法的基本思想、设计相关格式的基本思路，以及一些具有很强实用价值的BVD格式。并通过单相和两相可压缩流动的一些典型算例验证BVD格式的特点和优势。

高精度有限差分格式的色散优化及耗散控制

李妍慧, 陈琮巍, 任玉新, 孙振生, 王秋菊

2021, 39(1): 138-156. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0153

[摘要](264) HTML(81) PDF(41)

摘要:
本文综述了我们在高精度有限差分格式的色散优化和耗散控制方面的研究进展。首先，我们提出了半离散有限差分格式色散和耗散相互独立的充分条件，实现了差分格式色散和耗散特性的独立调节。在此基础上，提出了色散最小、耗散可控的高精度差分格式，称为MDCD格式。MDCD格式已经得到了广泛应用，取得了很好的计算效果，但其主要缺点是耗散的调节依赖于经验。为了解决这一问题，我们进一步提出耗散的自适应调节方法。具有自适应耗散特性的高精度有限差分格式的基本特征是，差分格式的耗散能够随解的局部尺度自适应调节。为了构造这类格式，我们提出了一种新型的尺度识别器，它能够以等效无量纲波数的形式来定量衡量数值解的局部长度尺度。在此基础上，设计差分格式耗散参数与尺度识别器得到的等效无量纲波数之间的关系，从而构造了一类色散最小、耗散自适应的差分格式，称为MDAD格式。为了计算含有间断的问题，同时保持在光滑区的良好耗散特性，我们利用尺度识别器对一种经典的激波探测器进行改进，提出了一种新的激波探测器，并将自适应耗散格式与对应的WENO格式相混合，得到自适应耗散混合格式。近似色散关系显示该混合格式兼具高分辨率和鲁棒性。多个含间断流场的标准算例测试结果显示，自适应耗散混合格式具有良好的分辨率和激波捕捉能力。

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2021年度优秀论文