Investigation on the data-driven computing acceleration method of chemical simulation of detonation wave

气相爆轰波的起爆与传播过程伴随着多种物理现象相互作用，如气体动力学、热力学、化学反应动力学与激波动力学等现象，流动过程十分复杂。其中所涉及到的许多基础问题仍然缺乏详尽、深入、准确的认识。爆轰波传播与起爆的核心物理机制是非线性波传播与化学反应带相互作用，化学反应模型的精确建模是定量研究气相爆轰物理的重要一环。在爆轰波起爆和传播的数值模拟中，使用详细化学反应机理存在计算耗时特别严重的问题，而使用简化反应机理或是总包反应机理则会大幅降低计算精度，因此如何能在提高计算效率的前提上提升计算精度成为了爆轰数值模拟中的重要问题。同时，在爆轰现象的实验中，精确测量化学反应面上各组分的分布信息是十分困难的，利用其它信息组合还原出化学反应信息是一件极为有价值的工作。另外，现在人工智能方法层出不穷，有许多先进的人工智能算法已经应用在物理研究中，以从唯象学的角度出发更好地对物理现象进行分析建模。在这样的研究背景下，本文以数值模拟为基础和主要数据来源，以敏感性分析、遗传优化算法和ANN（Artificial Neural Network）方法为主要研究手段，针对爆轰波传播过程中的GPU加速、组合修正机理、化学反应面信息重构以及化学反应源项计算的DCSNN（Detonation Chemical Source Neural Network）建模开展了相关研究。 首先，在CPU上用C++语言构建的模块化爆轰波数值模拟程序基础上，利用CUDA语言移植到GPU平台上。针对二维正爆轰波的传播过程进行了验证，得到了相当于CPU平台上160倍加速比的效果，证明了GPU能够高效地用于爆轰波数值模拟。 由于详细化学反应机理组分数目多、反应数目多、刚性严重带来的计算耗时巨大，使用简化机理则在组分浓度、最终火焰温度、点火延迟时间、比热比、摩尔质量等物理量上可达到10% 量级上的误差。对于爆轰波传播过程中最为重要的动力学参数胞格尺寸来说，这些物理量均对计算胞格宽度有着重要影响。本文使用组合修正模型以在维持简化化学反应机理的计算效率的同时提高化学反应的计算精度。在验证了敏感性分析得到的简化化学机理的有效性后，使用遗传算法进一步得到组合修正模型。然后，本文对组合修正模型和简化机理进行分析对比，组分浓度相对误差从10%量级降低到了0.1%量级，最终温度相对误差从1%量级降低到0.01%量级，点火延迟误差从0.7%降低到0.1%，摩尔质量与比热比的误差也因此大大减少。分析了使用组合修正模型能够在计算爆轰波传播的关键动力学参数胞格尺寸方面上的影响。 在现有的爆轰数值模拟中，往往使用总包反应模型进行计算。总包反应模型能够在气动信息如压强分布、温度分布、密度分布方面得到与实验结果较为符合的结果，但不能得到各组分的分布信息。在爆轰实验中，以目前的实验技术也很难得到各组分的精确分布信息，但对气动信息的测量往往比较容易。因此，本文提出了一种爆轰波传播过程中利用气动信息对化学反应信息进行重构的CNN（Convolution Neural Network）方法。使用详细化学反应机理计算得到不同时刻的流场分布作为训练样本，以整个流场的气动信息作为输入并以化学反应面上的组分浓度分布作为输出。针对典型的起爆和稳定传播阶段进行了分析，验证了化学反应面重构的有效性。另外，本文还针对不同的气动信息组合进行了模型训练，分析了不同气动信息组合的预测结果，证明在1%左右的误差允许下，使用密度、速度、压力联合预测与仅使用压力预测均能有效地还原重构出化学反应面的浓度分布。 在爆轰波数值模拟中的关键问题，也就是如何建立合适简化的化学反应机理模型这个问题上，要有丰富的化学反应动力学的知识，根据爆轰波的特点从详细机理中挑选关键反应得到简化机理。本文建立了一种DCSNN/CFD耦合计算方法用于爆轰波传播过程的高效数值模拟。在CPU上利用本人开发的模块化程序，能够将化学反应源项模块快速替换，高效地进行爆轰波数值模拟。在对一维爆轰波传播过程进行验证后，使用DCSNN/CFD耦合计算方法在计算爆轰波稳定传播时的CJ点压力、温度、密度、波速与详细化学反应机理对比，相对误差均在1%量级，证明了方法的可靠性。同时分析了不同网格量的加速效果，发现当前DCSNN模型已经能取得13.2左右的加速比，DCSNN/GPU耦合能获得2000倍左右的加速比，证明了DCSNN/CFD耦合计算方法的高效性。 &nbsp;</p

一种脉冲风洞测力系统单矢量动态校准方法

本发明提供一种脉冲风洞测力系统单矢量动态校准方法，将测力系统通过拉线与阶跃载荷加/卸载机械装置连接，利用数据采集系统对拉线施力前后的数据采集，以零载荷和拉力载荷处理后的组合载荷作为输出样本，以剪断拉线时的多分量阶跃载荷作为输入样本，代入到卷积神经网络中进行训练，得到消除阶跃载荷中干扰信号的人工智能模型，再将人工智能模型应用于当前状态下的脉冲型风洞测力试验数据的处理，最终得到真实气动力载荷。本发明通过风洞天平直接读取沿拉线拉力矢量方向的载荷数值，将卷积神经网络技术引入进行动态校准，消除惯性振动引起的干扰信号，然后直接应用于实验，提高了校准效率，同时提高脉冲型风洞瞬态气动力测量精度，减小测量误差

Effect of mole weight ratio of reaction on propagation of cellular detonations

The propagation of two-dimensional cellular detonations is investigated numerically using a one-step reversible reaction model. The effect of the average mole weight ratio W-B/W-A of the product and reactant on the one-dimensional Zeldovich-von Neumann-Doring (ZND) detonation and cellular detonation behavior is analyzed in detail. Several interesting cellular detonation phenomena are observed in the numerical simulations. These can be divided into five categories according to the cell patterns of detonation, i.e., regular, relatively regular, irregular, half-cell propagating, and decoupled detonation. The results indicate that differences in cell size under different values of W-B/W-A modify the cellular detonation behavior. The ZND detonation parameters under various W-B/W-A values are studied and related to the cell size. The results show that the reaction zone length and maximum heat release rate are clearly influenced by W-B/W-A. Furthermore, for both ZND detonation and cellular detonation, the reaction zone length decreases as W-B/W-A increases, which effectively reduces the cell size. To elucidate the effects of the reaction zone length on cell size, thermoacoustic instability theory is introduced to investigate the acoustic perturbations in the reaction zone. This allows the correlation between the propagation frequency and cell number along the width of the duct to be determined. Correlation analysis indicates that the cell number has a strong linear dependence on the perturbation frequency. (C) 2022 Author(s). All article content, except where otherwise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution (CC BY) license(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点.斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织,在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位.以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等,缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析.本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解,建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型.在斜爆轰波系研究成果的基础上,选取了过驱动斜爆轰、Chapman-Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程,并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响.此外,还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律,发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素.最后,结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果,提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向

基于深度学习技术的激波风洞智能测力系统研究

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用.通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流.在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时,测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响,其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决,尤其对试验时间只有几毫秒的情况,六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战.因此,对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现,天平动态校准凸显重要性和必要性.本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念,并应用于目前激波风洞测力试验中.该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准,而非仅仅针对天平,并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象,确保校准与应用的一致性.在测试评估中,测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果,大幅度低频振动干扰基本被消除,脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高

坡面侵蚀过程中泥沙有机碳流失特征分析

以野外布设的径流小区为研究对象，采用模拟降雨方法研究随机条件下降雨侵蚀过程中泥沙有机碳 含量及流失过程的动态变化规律。结果表明：（１）降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量随降雨的进行逐渐降低 并趋于平稳，与坡面土壤有机碳含量相比显著增高（ｐ＜０．０１），有机碳在泥沙中明显富集，富集比最大值达 １．７８０，泥沙中有机碳含量及富集比随侵蚀速率的增加明显减小且趋于稳定；（２）泥沙有机碳流失速率随降 雨的进行先波动增大，达到最大值后又波动减小，最后逐渐趋于准稳定，整个过程呈单峰分布；（３）泥沙有 机碳流失强度与土壤侵蚀强度呈显著性线性正相关（ｐ＜０．０１），说明土壤侵蚀量决定侵蚀过程中有机碳流 失量，准确获取土壤侵蚀强度是估算坡面有机碳流失量的基础。 关键词：坡面侵蚀；模拟降雨；土壤有机碳流失.</p

高速列车的关键力学问题

在过去10年时间,中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃.在最初引进消化吸收基础上,研制了新一代高速列车并大规模投入运营,伴随这一过程的大量试验与工程实践,大大促进了对高速铁路这样一个车-线-网-气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究.该文将从6个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理.考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识,文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声

Current research progress in the mechanics of high speed rails

在过去10年时间,中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃.在最初引进消化吸收基础上,研制了新一代高速列车并大规模投入运营,伴随这一过程的大量试验与工程实践,大大促进了对高速铁路这样一个车-线-网-气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究.该文将从6个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理.考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识,文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声

Direct mass measurements of neutron-rich ~(86)Kr projectile fragments and the persistence of neutron magic number N=32 in Sc isotopes

<span style="color: rgb(51, 51, 51); font-family: arial, helvetica, sans-serif; font-size: 13px; line-height: 22px; background-color: rgb(248, 248, 248);">In this paper, we present direct mass measurements of neutron-rich Kr-86 projectile fragments conducted at the HIRFL-CSR facility in Lanzhou by employing the Isochronous Mass Spectrometry (IMS) method. The new mass excesses of 52-54SC nuclides are determined to be -40492(82), -38928(114), -34654(540) keV, which show a significant increase of binding energy compared to the reported ones in the Atomic Mass Evaluation 2012 (AME12). In particular, Sc-53 and Sc-64 are more bound by 0.8 MeV and 1.0 MeV, respectively. The behavior of the two neutron separation energy with neutron numbers indicates a strong sub-shell closure at neutron number N=32 in Sc isotopes.</span