基于本征正交分解和代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

气动热弹性分析是高超声速飞行器设计的关键技术之一。高超声速飞行器气动热的准确快速预测是气动热弹性分析的重要前提。针对当前气动加热工程计算、数值计算和实验研究均不能很好满足设计要求的问题,采用本征正交分解(POD)与代理模型(Surrogate)技术结合的模型降阶(POD-Surrogate)方法,建立了一种快速高效的高超声速气动热降阶模型框架。针对典型高超声速三维翼面气动热预测研究结果表明:当保留的POD基模态个数大于20时,PODKriging方法和POD-RBF(Radial Basis Function)方法的降阶模型得到的翼面温度分布与计算流体力学(CFD)计算温度L∞平均误差分别达到6%和14%,相对均方根误差(NRMSE)平均误差分别达到4%和12%,继续增加POD的基模态并不能提高降阶模型的预测精度;针对高超声速机翼气动热计算,POD-Kriging方法比POD-RBF方法具有更高的精度;针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明:基于POD-Surrogate方法的气动热降阶模型具有较高的精度和效率。     

基于POD-RBFN降阶模型的串列叶栅流场预测

通过传统实验或CFD 手段获取流场信息的方法往往需要耗费大量资源或时间,这在需要快速获取大量流场信息时产生的成本是无法接受的,发展比传统CFD 更快速的流场预测方法具有重要意义。采用本征正交分解（POD）方法对样本流场进行模态分解,提取流场的主导模态;而后采用径向基函数神经网络（RBFN）响应POD 基函数的系数,实现流场降阶预测模型的构建,并在模型中采用基于函数响应偏差的自适应抽样方法;通过某串列叶栅非定常流场数据对预测模型进行验证。结果表明：本文构建的POD-RBFN 混合模型可以快速准确地预测出串列叶栅的流场参数分布;与静态采样相比,本文采用的自适应采样方法在采样效率上表现出明显优势,同样重构精度所需的样本数降低了25% 左右。     

基于气动力降阶的弹性飞机阵风响应仿真分析及验证

低速飞机在阵风作用下容易产生非线性气动力,从而引发非线性气动弹性效应,对飞行安全造成威胁。针对此类问题的分析,经典面元法无法满足计算精度要求,计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)全阶耦合分析效率低下,因此需建立满足工程应用的高精度、高效率的飞行动力学仿真分析模型。针对以上问题提出了一种适用于工程的非线性气动力降阶模型(ROM)用以实现弹性飞机飞行动力学仿真,特别是低速飞机在遭遇大幅值阵风情况下的阵风响应仿真。以风洞试验飞翼飞机模型为对象,利用CFD方法获得了该模型的气动力数据,利用自回归移动平均(ARMA)方法和径向基函数(RBF)神经网络方法分别建立了该模型的线性气动力ROM和非线性修正气动力ROM。结合模型的刚弹耦合飞行动力学方程对模型遭遇阵风情况下的响应进行仿真分析,并将仿真结果和风洞试验结果及CFD/CSD计算结果进行对比。结果表明建立的基于非线性气动力ROM的弹性飞机仿真模型在气动力预测、稳定性分析及阵风响应分析方面的表现都优于基于线性气动力ROM的仿真模型,和试验结果及CFD/CSD分析结果一致性较好,且所建模型在相同工况下的仿真时间远低于CFD/CSD分析方法...     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期,提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析,选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照;基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型,实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好,并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布;建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低,对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

模拟退火算法和POD降阶模态计算在翼型反设计中的应用

在翼型反设计中用模拟退火算法作为寻找目标函数极值的优化算法;对翼型流场的计算采用基于正交分解(Proper Orthogonal Decomposition-POD)的降阶模态,这种方法可以降低流场反复计算所需的大量机时。本文将二者结合,并应用到翼型反设计领域,对几个给定翼型压力分布反求翼型表面。计算结果表明本文方法是可行的,且优化算法具有全局优化和鲁棒性强等特点。此外,本文提出了用扰动翼型函数的方法形成POD降阶模态中的快照,利用这些快照形成的基模态,拓展了加鼓包函数方法的表达范围。     

风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析

失速时的流动分离现象对风力机叶片的气动性能有重要影响,S809作为典型水平轴风力机翼型,在临界失速攻角下气动性能会大幅降低。基于流动特征提取的非定常流场降阶模型（reduced-order model, ROM）是进一步深入了解非定常流动的重要手段。本文通过计算流体力学方法得到轻、深失速攻角下翼型的流动特征,对时变速度场进行本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）和动态模态分解（dynamic mode decomposition, DMD）分析,得到轻、深失速下翼型的非定常流场信息（能量占比、模态频率等）。通过两种方法的对比,结果表明,POD和DMD方法能够准确捕捉流动过程中的非定常结构和升力主频相同的典型模态,但是POD方法由于基于能量特征,在捕捉模态时会忽略与升力主频相近但能量较小的流动结构,而基于频率特征的DMD方法能够准确获得场的演化信息（增长率、频率等）。本文研究有利于针对主频结构发展相应的流动控制方法,从而改善翼型流场情况,提高气动性能。     

基于自编码器和LSTM的模型降阶方法

自编码器是一种有效的数据降维方法,可以学习到数据中的隐含特征,并重构出原始输入数据.本文提出了一种基于多层自编码器和长短期记忆网络的模型降阶方法,以提升降阶模型的精度.文中以二维圆柱绕流为例,对该方法进行了分析与验证.首先用多层自编码器对原始数据进行降阶和特征提取,然后构建基于长短期记忆网络的预测模型,最后将自编码器和...     

基于降阶模型的气动弹性主动控制律设计

流体/结构耦合数值模拟是目前解决复杂气动弹性问题精度最高的方法。但由于计算效率比较低,模型阶数过高,不能直接用于气动弹性系统的主动控制律设计。为了对主动控制系统设计提供高效高精度状态空间模型,研究了气动弹性系统的时域正则正交分解(POD)/降阶模型(ROM)方法,并引入平衡截断(BT)技术进一步降低时域POD/ROM的阶数,从而有效克服了时域POD/ROM阶数过高的缺点。在此基础上建立了基于POD-BT/ROM的气动伺服弹性降阶方程。以AGARD445.6机翼为例,说明了时域POD/ROM建模的各个细节,并将其用于气动弹性主动控制律的设计。计算结果表明,POD/ROM具有接近计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)耦合计算的精度,同时又大大提高了计算效率约1～2个量级,是一种高精度高效率的气动弹性主动控制系统设计工具。     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

 端面密封动态性能模型的多维求解复杂性限制了对密封的实时动态监测,为此建立了基于本征正交分解(POD)方法的密封性能求解降阶模型,以获取实时的密封性能特征参数,包括非接触密封微小间隙产生的液膜轴向力及沿着不同方向的液膜力矩.基于降解模型提出了非接触端面密封动态监测的原理,并分析了不同液膜振动频率下的降阶模型的计算误差,完成了对一组不同密封间隙及液膜振动频率下的水润滑端面液膜轴向力及力矩的数值仿真.研究结果表明提出的基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测能达到较高的分析精度,这对于非接触端面密封的动态控制及研究瞬态启动过程中的密封动静特性具有重要的作用.     

基于CFD方法的机翼阵风响应研究

通过引入＂网格速度＂方法模拟阵风条件,求解非定常欧拉方程实现了不同展弦比0012平直机翼阵风响应的数值模拟。首先采用该方法对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了计算,计算结果与文献结果、理论值吻合良好。进一步对展弦比分别为5、10的0012平直机翼在迎角阶跃型、One-Minus-Cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了模拟分析。研究结果表明,当展弦比增大时,阵风作用下机翼的升力系数响应会增加,机翼翼根部位气动响应幅值大于翼尖部位响应特性。     

压气机叶栅非定常线性自回归气动降阶模型研究

为满足叶轮机械领域高效非定常气动计算的迫切需求,采用线性带外输入的自回归(ARX)理论建立了高亚声速压气机叶栅非定常气动性能降阶模型.该降阶模型构造简单,建立较为容易.通过逐渐增加输入/输出延迟阶数,可以获得较高精度的模型超参数.研究结果表明:降阶模型对线性非定常系统的气动参数响应具有较好的预测精度,但在部分无量纲总压...     

翼型和机翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法来数值求解非定常Euler和NS方程,并在非定常计算中通过引入"网格速度"来计入阵风的影响,实现了对刚性翼型和机翼阵风响应的有效数值模拟。首先采用该方法来对翼型攻角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算,结果表明:计算结果与现有的一些理论结果都符合较好,与文献中计算结果也吻合,NS方程的计算结果与Euler方程计算结果在变化趋势上是一致的,但具体的数值有差别。最后针对攻角突然增大的阵风,对不同马赫数下不同展弦比平直机翼的阵风响应进行了数值模拟,得出的计算结果与文献中的计算结果一致。     

基于遗传算法的大型空间结构模型降阶

 采用遗传算法求解大型空间结构的模型降阶问题。给出了模型降阶的数学表示和所用遗传算法的有效形式，即编码方式、适值方式、交叉方式和变异方式等。仿真实例说明，遗传算法优于标准内平衡法和Hopfield神经网络方法。     

POD算法在飞机RAT舱温度预测中的应用研究

冲压空气涡轮（RAT）系统是飞机的应急发电系统,在飞机失去主交流电源后为飞机供电,RAT平时回收在非气密区的RAT舱内,在应急工况下释放到气流中。RAT舱温度很大程度上决定了RAT的释放时间,进而影响飞机在应急工况下的安全性,RAT舱的温度预测对于应急供电下的安全性具有重要意义。通过本征正交分解（POD）将RAT舱温度与高度、大气静温、飞行速度、RAT舱周围舱温度作为模型整体进行统一分析,并通过RAT舱温度简化模型及简化模型与完整模型的映射关系,选取试验数据作为样本数据,利用POD算法进行RAT舱温度预测。结果表明：1阶模态占据所有模态的比重超过99%,归一化处理后预测结果的平均绝对误差最小可达到0.063,均方根误差最小达到0.07;POD算法可以在样本数据基础上,通过模态重构有效预测RAT舱的温度信息。     

基于增量学习的非定常气动力参数化降阶模型

气动降阶模型（ROM）是预测非定常气动力的有效工具,具有高精度和低计算成本的优点,近年来许多研究证实了该方法的有效性。但是关于飞行参数变化时,ROM的鲁棒性还需要进一步提高。为了提高ROM对不同飞行参数下的气动力预测能力,提出了基于最小二乘支持向量回归（LS-SVR）和增量学习算法的参数化降阶模型。LS-SVR是一种具有良好泛化能力的回归方法,基于LS-SVR的增量学习算法的主要贡献是在增加新样本集时,不需要重新学习整个数据集。为说明该方法的有效性,基于两自由度NACA64A010翼型构建参数化非定常气动力降阶模型。为了训练气动力输入和相应输出之间的关系,将马赫数和迎角作为附加的模型输入。仿真结果表明,该降阶模型能够准确描述气动力和气动弹性系统在不同飞行参数下的动态特性。     

基于POD和DMD方法的跨声速抖振模态分析

跨声速抖振现象是由于非定常跨声速流动中激波的自激振荡而引起的结构强迫振荡,这种现象在跨声速飞行器中普遍存在,对飞机的结构强度和疲劳寿命有不利影响。基于模态分解的分析方法是进一步发展抖振控制手段的有效工具。本文通过两类典型模态分析方法（本征正交分解（POD）和动态模态分解（DMD））对OAT15A翼型的跨声速抖振现象进行分析,通过对模态频率、翼面压力分布、流场重构误差等方面的研究,将两种模态分解方法进行对比。发现基于频率特征的DMD方法能够准确捕捉抖振的临界稳定特征和抖振主频的典型模态,同时能够更准确反映流场变量在激波间断附近随时间的变化过程;而POD方法尽管在流场重构时具有较小的总体误差,但对激波附近压强随时间的变化历程拟合较差。