阻力伞流场数值模拟

运用非定常Navier-Stokes(N-S)方程有限体积算法及非结构动网格技术对X-37B飞行器着陆流场进行数值模拟,比较了飞行器在拖挂阻力伞和不拖挂阻力伞两种情况下的流场差异.模拟以混合网格有限体积方法为基础,控制体方程采用N-S方程组,流场计算空间离散采用格点格式,通量计算格式采用Roe,时间离散采用LU-SGS理论和二阶时间精度的双时间步长,湍流模型采用两方程SST湍流模型.动网格技术采用线性弹簧理论处理阻力伞在摆动时流场的变化.阻力伞模型采用中间带气孔的C-9圆锥型降落伞外形,但规模有所缩小,以便适应飞行器.模拟比较了两种情况下着陆流场的差别,并主要比较了两种情况下阻力的差别,从而证明飞行器在拖挂阻力伞的情况下更容易减速着陆.     

飞机发动机排气系统红外辐射强度数值仿真

针对发动机排气系统的红外辐射特性的研究,以飞机发动机排气系统流场数值计算数据为基础,考虑燃气主要成分H<,2>O、CO<,2>的吸收和发射影响,利用离散传递法求解非均匀介质中辐射传输方程,对喷管热空腔辐射、喷气流辐射和热空腔一喷气流组合辐射在2.667～5μm波长范围内的红外辐射强度进行数值仿真,计算所得的红外辐射强度与实测结果一致,并证明采用的计算方法和开发的计算程序的正确性,具有工程应用价值.     

单级轴流压气机数值仿真研究

压气机作为发动机推进系统的关键部件,部件的性能对发动机多项性能指标有决定性的影响.为了提高发动机的稳定性,需要对压气机数值模型进行研究.采用计算流体力学方法,空间离散格式采用二阶精度的高精度数值格式来求解雷诺平均的N-S方程.通过数值仿真数据和公布的通用压气机实验数据对比,在压气机数值计算中得到与实验一致的结果,并分析了湍流模型和动静叶交接面对压气机总性能数值计算的影响.结果表明,选择适当的模型可以使数值仿真更接近实验结果,对工程应用有一定的指导作用.     

S弯进气道内流分离数值仿真

在现代战斗机的发动机问题的研究中,S进气道是现代航空战斗机推进系统的一个重要组成部分,进气道内的流场品质会显著影响发动机性能.由于进气道内部流动的复杂性,为进气道内的流动特性优化和改善畸变问题,采用计算流体力学方法,空间离散格式采用二阶精度的高精度数值格式,应用基于Rhie和Chow法则的压力-速度耦合算法来求解雷诺平均的N-S方程,对S进气道内部流场进行了数值仿真,主要对S进气道内部流场总性能和流场发展细节进行了研究.数值计算结果反映出了流场的基本物理现象:出口气体畸变和气流分离的发展.同时也说明了所采用的研究方法是可行的,并为S进气道内部气流分离控制奠定了理论基础.     

基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法

在现代飞行器设计中,数值模拟方法以低成本、高效率和高灵活性等优点成为研究飞行器空气动力学的重要方法.在旋翼型无人机流场模拟中,由于旋翼与机身存在相互作用,为获得精确模拟结果需要对整个无人机的流场进行模拟,因此,有效地模拟旋翼与机身的相对运动是实现成功模拟的关键步骤,这使得此类模拟问题极具挑战性.文章设计了一套求解旋翼型无人机空气动力学数值模拟问题的基于非结构滑移网格技术的高可扩展并行计算方法.该方法对控制方程的离散,在空间方向采用非结构移动网格有限元方法,时间推进采用全隐式二阶向后差分格式,最后采用一种并行Newton-Krylov-Schwarz方法求解离散后的非线性方程组.作为应用,文章对一个真实旋翼型无人机模型在悬停状态下的外流场进行了数值模拟,获得了一些非常详细的流场信息.数值结果显示,算法在天河2号上使用4 096个处理器核时仍具有接近线性的并行加速比,这为下一步开展旋翼型无人机的高保真度快速模拟奠定了良好的基础.     

耦合压力与温度修正算法对流体流场数值仿真

深入研究了目前流体流场的数值仿真问题,由于流体流场中可能存在着马赫数变化很大的流动情形,通常的方法不能较好地计算出准确的结果,因此找出一种能计算任意马赫数流动的算法是非常必要的.使用了一种耦合压力与温度修正算法求解Navier-Stokes方程.是通过连续方程和能量方程推得压力修正值与温度修正值的方程,并将压力修正值方程与温度修正值方程联立求解,而其它求解变量采用分离式求解的思想,求解中对流项差分格式采用了AUSM 格式,并在低马赫数时进行了改进.通过对喷管和圆弧凸包的数值仿真,较好地反映出了流场中的激波现象,计算表明方法能适应任意马赫数范围的流体流动,并且具有一致的计算精度.     

求解Cahn-Hilliard方程非线性项的两种数值格式对比

基于快速显式算子分裂方法,将Cahn-Hilliard方程与分子束外延(MBE)方程分裂为非线性与线性两个部分.对非线性部分,采用中心差分与半离散有限差分两种格式进行数值计算;线性部分通过拟谱方法进行精确求解.在两种格式下,通过对数值解的全局L~∞误差估计,比较分析了两种格式的数值解差异以及运行效率.对于Cahn-Hilliard方程与MBE方程,两种格式的数值解一致;对Cahn-Hilliard方程的数值求解,中心差分格式的效率是半离散有限差分格式的3到6倍;在MBE方程的数值求解中,半离散有限差分格式的效率是中心差分格式的2倍.     

超声速进气道流场的CFD数值仿真

进气道是航空推进系统的一个重要组成部分,进气道内的流场品质会显著影响发动机的性能.由于进气道内部流动的复杂性和其广泛的应用前景,进气道内的流动特性引起了人们广泛的关注.采用计算流体力学(CFD)方法,空间离散采用Harten-Yee的二阶迎风TVD格式,时间迭代采用隐式LU-SGS方法,数值求解Navier-Stokes(N-S)方程,对进气道内部流场进行了数值模拟,并研究了进气道内部流场的流场结构以及激波/边界层干扰问题.数值计算结果反映出了流场的基本物理现象,说明了所采用的研究方法是可行的.同时数值模拟结果对进气道的设计有一定的参考价值.     

动态中子输运方程迭代初值的选取方法

研究离散纵标动态中子输运方程迭代求解时,迭代初值的不同选取方法,设计合理的迭代初值可以适当放宽对时同步长的限制,缩短计算时间.设计四种迭代初值并应用于数值求解中的等比格式和菱形格式,其中等比格式形成非线性离散方程,菱形格式形成线性离散方程.考察不同迭代初值的计算效率,分别对物理量变化平缓以及变化剧烈的问题进行考察.数值算例表明构造的基于物理量随时间走势的预估值作为迭代初值优势明显,这在保证计算精度的前提下提高了数值计算效率.     

Cahn-Hilliard方程多重网格求解器收敛性分析

Cahn-Hilliard(CH)方程是相场模型中的一个基本的非线性方程，通常使用数值方法进行分析。在对CH方程进行数值离散后会得到一个非线性的方程组，全逼近格式(Full Approximation Storage, FAS)是求解这类非线性方程组的一个高效多重网格迭代格式。目前众多的求解CH方程主要关注数值格式的收敛性，而没有论证求解器的可靠性。文中给出了求解CH方程离散得到的非线性方程组的多重网格算法的收敛性证明，从理论上保证了计算过程的可靠性。针对CH方程的时间二阶全离散差分数值格式，利用快速子空间下降(Fast Subspace Descent, FASD)框架给出其FAS格式多重网格求解器的收敛常数估计。为了完成这一目标，首先将原本的差分问题转化为完全等价的有限元问题，再论证有限元问题来自一个凸泛函能量形式的极小化，然后验证能量形式及空间分解满足FASD框架假设，最终得到原多重网格算法的收敛系数估计。结果显示，在非线性情形下，CH方程中的参数ε对网格尺度添加了限制，太小的参数会导致数值计算过程不收敛。最后通过数值实验验证了收敛系数与方程参数及网格尺度的依赖关系。     

基于嵌入式深度学习的电力设备红外热成像故障识别

随着大型图像集的出现以及计算机硬件尤其是GPU的快速发展, 在有限计算资源的嵌入式设备上部署卷积神经网络(CNN)模型成为具有挑战性的问题. 电力设备过热故障可以通过采集的红外热成像进行识别. 由于红外辐射在空气中传播衰落, 红外测温结果低于实际温度值. 本文提出一种基于嵌入式设备的高效卷积神经网络用于电力设备热故障检测, 将SSD算法中的骨干网络替换为MobileNet, 同时Batch Normalization与前一卷积层合并, 以减少模型参数、提升推理速度、使之能够在轻量级计算平台上运行. 针对红外辐射在空气中传播损失的问题, 提出一种基于BP神经网络的红外测温修正单元. 基于上述创新设计了一种电力设备热故障检测系统, 实验以及现场应用表明, 该方法具有较高的准确性以及推理速度.     

飞机红外辐射图像仿真研究

为研制火控雷达红外子系统训练模拟器,必须对飞机的红外辐射现象进行仿真研究,创建飞机与雷达的对抗环境,从而实现对抗训练.文章阐述了红外仿真的思想,采用3DSMax软件对飞机几何建模,以飞机典型部位的红外辐射特征为对象,通过输入飞机及大气的相关参数,对飞机的零视距离红外辐射出射度、大气透射率以及灰度值进行计算;以面向对象技术设计了仿真对象、类和人机接口,编程生成了飞机的红外仿真图像;通过对飞机三维可见光模型和典型频段的红外仿真图像进行分析,结果表明飞机红外辐射仿真图像能够满足某火控雷达训练模拟器研制的需要,对装备训练模拟器开发有一定参考价值.     

低红外特征涡扇发动机性能参数多目标优化设计方法

为了在发动机设计阶段降低涡扇发动机的红外辐射强度,建立了一种外涵引气冷却排气系统高温壁面的优化技术,开展了带外涵引气冷却的低红外特征涡扇发动机总体性能优化设计方法研究。首先,建立了带外涵引气冷却的涡扇发动机总体性能计算模型,并分析了非加力状态下引气量对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低单位油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型和方法,对设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。研究结果表明,相较于传统的涡扇发动机设计参数选取,带外涵引气冷却的涡扇发动机具有更低的红外特性,并且经过多目标优化后,带外涵引气冷却的涡扇发动机在兼顾低红外特征的同时具有更优的总体性能。     

基于隐马尔科夫模型的人体动作压缩红外分类

人体动作产生的辐射能量变化（Infrared radiation changes,IRC）信号是动作识别的重要线索,本文提出了一种基于隐马尔科夫模型的人体动作压缩红外分类新方法.针对人体动作的自遮挡问题,建立基于正交视角的压缩红外测量系统,获取人体动作在主投影面和辅助投影面的IRC压缩信号;然后,采用隐马尔科夫模型（Hidden Markov model,HMM）双层特征建模算法进行压缩域动作分类.实验结果表明双层特征建模的平均正确分类率高于主层特征建模,平均正确分类率可达95.71%.该方法为环境辅助生活系统提供了人体动作识别的新途径.     

Estimation of Surface Flow and Net Heat Flux from Infrared Image Sequences

The study of dynamical processes at the sea surface interface using infrared image sequence analysis has gained tremendous popularity in recent years. Heat is transferred by similar transport mechanisms as gases relevant to global climatic changes. These similarities lead to the use of infrared cameras to remotely visualize and quantitatively estimate parameters of the underlying processes. Relevant parameters that provide important evidence about the models of air-sea gas transfer are the temperature difference across the thermal sub layer, the probability density function of surface renewal and the flow field at the surface. Being a driving force in air sea interactions, it is of equal importance to measure heat fluxes. In this paper we will present algorithms to measure the above parameters of air-sea gas transfer during night-time and show how to combine physical modeling and quantitative digital image processing algorithms to identify transport models. The image processing routines rely on an extension of optical flow computations to incorporate brightness changes in a total least squares (TLS) framework. Statistical methods are employed to support a model of gas transfer and estimate its parameters. Measurements in a laboratory environment were conducted and results verified with ground truth data gained from traditional measurement techniques.     

基于PSO-ELM算法的红外目标模拟器校准数据拟合方法研究

提高红外目标模拟器校准数据的拟合精度,对于红外目标的辐射照度等辐射特性的测量有着重要意义;针对校准数据具有很强的非线性,传统的拟合算法精度不高的问题,引入一种基于粒子群算法优化的极限学习机算法（PSO-ELM）,以标准黑体辐射温度作为输入因子,以MCT探测器实际测量出的辐射照度作为输出因子,建立PSO-ELM模型,利用粒子群算法（PSO）对连接隐藏神经元和输入层的权值和隐藏神经元阈值进行优化,拟合出输入参数和输出参数之间的非线性关系;这两个参数的优化提高了极限学习机算法（ELM）的性能,该方法的主要优点是具有较强的容错性、较好的对复杂非线性数据处理性能和ELM算法参数设置上的优化机制;通过与GA-ELM模型、ELM模型进行对,验证了与传统数据拟合方法相比,基于PSO-ELM的方法拟合精度有了很大提高,为红外目标模拟器校准数据拟合提供了新的方法。     

Magnetohydrodynamic three-dimensional nonlinear convective flow of viscoelastic nanofluid with heat and mass flux conditions

The present research focuses on three-dimensional nonlinear convective flow of viscoelastic nanofluid. Here, the flow is generated due to stretching of a impermeable surface. The phenomenon of heat transport is analyzed by considering thermal radiation and prescribed heat flux condition. Nanofluid model comprises of Brownian motion and thermophoresis. An electrically conducting fluid is accounted due to consideration of an applied magnetic field. The dimensionless variables are introduced for the conversion of partial differential equations into sets of ordinary differential systems. The transformed expressions are explored through homotopic algorithm. Behavior of different dimensionless parameters on the non-dimensional velocities, temperature and concentration are scrutinized graphically. The values of skin friction coefficients, Nusselt and Sherwood numbers are also calculated and elaborated. It is visualized that the heat transfer rate increases with Prandtl number and radiation parameter is higher.

     

Mathematical aspects of the meteorological interpretation of satellite hyperspectral infrared measurements part I: statement of the inverse problem for estimation of the cloud absorption vertical profile

Satellite high spectral resolution infrared measurements provide information for cloud vertical characterization when optically semi-transparent clouds at high altitude cover cloud layers at lower altitudes. It is an important issue because such atmospheric conditions are common and clouds are characterized by large-scale vertical development. An approximation radiative transfer model for a cloudy atmosphere is introduced. Cloud particle absorption of infrared (IR) radiation depends on the spectral frequency. So, the effective cloud parameters such as amount (absorption) and height, derived from IR spectral measurements, will be spectral functions as well. The degree of uncertainty in the determination of effective cloud parameters cannot be eliminated by increasing the number of spectral measurements. A cloud model should have extra degrees of freedom to address the spectral and spatial (vertical) variability of cloud absorption. A semi-discrete multilevel cloud model is used to describe the perturbation of the outgoing IR thermal radiation caused by cloudiness in the field of view of a satellite instrument. The model delineates cloudiness in a number of layers at fixed heights. Each layer (level) is characterized by the effective cloud absorption. An inverse problem of cloud absorption vertical profile (CAVP) estimation is described. The estimate of an effective cloud absorption profile is considered as predictor for identification of cloud presence at specific atmospheric layers. The problem is numerically examined for real satellite IR spectral measurements and solution estimates are compared with lidar measurements. Results show that the resulting estimate of CAVPs provides a realistic characterization of cloud top and cloud vertical scale.     

Infrared thermal velocimetry in MEMS-based fluidic devices

Most MEMS (microelectromechanical system) devices are made of silicon which is transparent at infrared wavelengths. Utilizing this infrared transparency of silicon, infrared thermal velocimetry was developed to measure the velocity in MEMS based fluidic devices. The method uses an infrared laser to generate a short heating pulse in a flowing liquid. An infrared camera records the radiative images from the heated flowing liquid and the steady flow velocity is obtained from consecutive radiative images. A wide range of the velocity (1 cm/s-1 m/s or higher) in silicon (or other materials that are transparent to infrared radiation) microchannels can be measured. Numerical simulations have been carried out and are in good agreement with the experiments. Parametric studies have been carried out for different channel dimensions and laser characteristics.     

煤层自燃隐蔽火源红外成像探测技术研究

利用红外成像技术对煤矿井下隐蔽高温区域探测是一个崭新而富有挑战的课题。课题以煤的热传导理论为基础,结合红外辐射测温理论、红外热像仪测温原理,以红外热像观测为手段,进行实验研究,掌握了松散煤体存在内热源时煤热量传递过程、松散煤体表面红外辐射特征,建立了松散煤体有源数学模型,通过数值模拟,研究了导热系数、辐射率对煤体红外辐射能量的影响。