| 一种基于自适应采样的非定常气动力降阶-代理模型及其应用研究 |
| 英文题名 | Surrogate-based Reduced Order Modeling of Unsteady Aerodynamics across Wide Ranges of Flight Regiems Using Adaptive Sampling Method
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| 马兴普
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| 导师 | 盛宏至
; 王发民
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| 2017
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 高超声速滑翔飞行器在大气层内(主要是临近空间内)高速滑翔飞行的时间较长，整个飞行过程中面临着飞行速度、高度及飞行攻角等参数的大范围变化，容易出现强烈的气动-惯性耦合现象。在某些飞行域内，气动-惯性耦合可能会引起飞行器动稳定特性的恶化，使得飞行器很难保持稳定、可控的飞行。为保证飞行安全可控，有必要在气动设计阶段开展高超声速滑翔飞行器在其整个飞行域内的动稳定特性的研究，以为后续的优化改型以及控制系统设计等提供参考。 飞行器飞行运动稳定性研究的主要手段包括解析方法、实验和数值计算。其中解析方法主要是应用数学中的系统理论，包括随机过程、最优化理论以及李雅普诺夫稳定性理论等。通过解析方法已获得了许多关于飞行稳定性的知识，然而在当前飞行器设计以及相关的飞行动力学问题研究中，若脱离数值计算，仅使用解析方法所能研究的问题是极少的。实验方法是飞行动力学研究中不可或缺的重要工具，但许多高超声速飞行实验费用高昂、周期长、开展难度大甚至不可实现。近十多年来，随着计算机性能的不断提升、计算方法和模型模拟真实物理现象的能力不断增强，数值计算已成为工程研究中的常用工具。数值计算解决了之前无法完成的系统设计、性能研究及优化等问题，而且对于无法开展实验研究的问题，数值计算手段可以开展模拟分析。这些因素促进了数值计算在诸多研究中的广泛应用。 目前在高超声速滑翔飞行器飞行动稳定性的研究中，数值计算也越显重要。若能够在高超声速滑翔飞行器的气动设计阶段通过数值计算快速、充分评估其滑翔过程中的纵向、横航向运动的动稳定特性，将有利于提高设计的可靠性和效率，并降低研究费用。然而，由于飞行包线内包含有无数的飞行参数状态，若采用CFD/RBD（计算流体力学/刚体动力学）耦合求解给出飞行器滑翔姿态的动稳定特性预测，所产生的计算代价是目前的计算能力远不能承受的。 CFD/RBD耦合求解主要的计算耗费来自于非定常CFD计算。因此为了提高研究效率，必须解决非定常气动力计算效率低的问题。本文的研究工作主要着眼于发展一种可在全飞行域内替代非定常CFD计算的、高效、高精度的非定常气动力预测模型，并在此基础上建立高超声速滑翔飞行器飞行动稳定特性研究的高效数值分析和仿真工具。本文的主要研究内容简述如下： (1) 高效的自适应采样方法。为了充分降低构建高效、高精度的非定常气动力预测模型的计算代价，首先开展了关于采样优化的研究。其中自适应采样准则函数中同时引入了对函数响应和样本点空间关联的度量，使最终生成的样本点可以有效的“充满空间”，并在函数响应非线性特性较强的局部参数区域内进行“局部加强”采样。函数响应的度量通过目标代理模型与采样参考模型预测之差评估，不需额外的高精度模型计算，有效的减轻了计算负担。其中采样参考模型采用两步预测的方式，具有较高的预测精度和较强的鲁棒性。与传统的非自适应实验设计方法相比，基于自适应采样的代理模型具有更高的预测精度。 (2) 基于自适应采样的定常气动力代理模型。作用于飞行器上的气动力/力矩随飞行马赫数、高度、攻角及侧滑角等参数的变化呈现出较强的非线性特性，而且气动力/力矩响应受CFD数据噪声的影响，常常出现变化不光滑的现象。本文基于自适应采样所构建的气动力代理模型可使用较少的样本数据有效捕捉气动力/力矩的非线性变化特性，极大的节约了建模所需的CFD计算量。 (3) 基于自适应采样的非定常气动力降阶-代理(S-ROM)模型。本文开展了基于自适应采样的S-ROM构建方法研究。针对不同的飞行参数(如马赫数等)依据非定常气动力时间序列的MSE(均方差)指标优化S-ROM，使其在不同的参数范围内都能保持较高的预测精度。相比于非定常CFD计算，S-ROM在基本不损失预测精度的前提下，具有更高的计算效率和更宽的适用范围。 (4) 基于S-ROM的二维翼型气动弹性研究。基于S-ROM建立了4%厚圆弧翼型在宽马赫数、高度和攻角范围内的气动弹性分析和仿真模型。在飞行参数空间内的数千状态点处，通过S-ROM提供非定常气动力预测，可以在数小时之内完成翼型在全飞行域内的气弹特性预测，具有极高的计算效率。 (5) 高超声速滑翔飞行器纵向和横航向运动稳定性研究。基于S-ROM模型建立了高超声速乘波飞行器滑翔的动稳定特性分析及仿真模型。所研究的整个飞行域内的任意状态点处，本文的分析方法可在小扰动范围内迅速准确的给出滑翔飞行姿态的动稳定特性预测。与CFD/RBD耦合分析方法相比，本文的方法极大的提高了计算效率，有利于进一步开展更为深入、细致的研究。 |
| 索取号 | Phd2017-011
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60404
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| 专题 | 高温气体动力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
马兴普. 一种基于自适应采样的非定常气动力降阶-代理模型及其应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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