摘要：涡激振动(VIV)是一种典型的流固耦合(FSI)现象,除了在结构安全设计方面有重要意义外,近年来在流体动能俘获方向也展现出巨大潜力。该文采用一种基于尾流振子的低成本降阶模型(ROM),以及一种基于直接模拟的计算流体力学—流固耦合(CFD-FSI)求解器,对圆柱VIV俘能效率的全局优化问题展开研究。通过ROM模型,得到了四组不同质量比和Reynolds数下的高分辨率俘能效率优化数据,其中优化参数为阻尼比和折合速度。将ROM模型的预测结果,与CFD-FSI的高保真模拟结果和已有研究中的实测数据进行对比,验证了ROM的有效性。该文发现了最优俘能效率点受到折合速度和质量—阻尼耦合参数的控制;另外,从ROM模型的内在关键参数推论出VIV俘能设备更适于在相应结构固定绕流升力系数更高的流动条件下工作,由此解释了高Reynolds数条件下VIV俘能效率更高的现象;此外,优化结果表明低质量比条件下的VIV俘能设备工作表现更优,由此证明海流能VIV俘能收益高于风能VIV收益。

摘要：为解决3维变压器磁场有限元仿真计算效率低的问题,提出基于本征正交分解法的磁场降阶模型与基于二次多项式的损耗响应面模型。以1台110 kV变压器为算例,首先建立了考虑绕组涡流损耗的变压器磁场仿真模型,通过仿真分析了其在额定工况下的磁场及损耗分布;其次,通过仿真试验设计获取了多组工况下的磁场与损耗数据,在Twin Builder中训练得到变压器磁场的各降阶模块;最后,搭建面向数字孪生应用的变压器3维磁场降阶模型,实现了变压器磁场损耗的快速计算与云图分布的可视化。与计算单数据相比,仿真结果考虑了涡流效应的绕组损耗在靠近端部时有明显升高,最大值分别出现在高、低压绕组两端,约为绕组中部损耗的1.3~1.65倍。基于该磁场结果建立的降阶模型在计算效率方面较全阶模型有显著提升,将实际仿真时间缩短至0.76s,可满足数字孪生应用场景下的磁场快速计算需求。

摘要：为了提升水下推进电机的综合性能,提出自适应降阶模型来分析电机的动态多模态热场域性能特性,解决现有算法在处理高维复杂问题时资源耗费大和易陷入局部最优的问题。在时域中模型采用“无方程”的非侵入式动态模态分解方法,从时间序列数据中提取主要动态模态,实现系统数据的降维和模态分解,精确描述系统行为和预测未来状态;在空间域中,结合基于改善期望的自适应策略和径向基函数进行参数化近似和降阶。通过评估设计空间中各候选点的预测不可信度,迭代提升模型质量,平衡空间全局探索与局部探究间的关系。多步骤协作建模框架能够从有限的大规模模拟数据集中进行精确的场域解预测。通过实验系统验证了模型在常规和异常状态下温度变化规律的有效性和可靠性,结果表现出高准确性和稳定性。

摘要：了解油浸式电力变压器绕组的温度情况是保证其运行稳定性的关键,也是当前针对油浸式变压器数字孪生分析的必然需求。为了快速地获得变压器绕组的稳态温度,该文提出一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和包含线性多项式的径向基函数响应面法(radial basis function response surface method including linear polynomial,RBFLP)的降阶计算模型。首先,讨论POD方法的降阶特性,并设计一种基于留一法交叉验证的自适应获得快照矩阵方法,以提高计算精度及效率;其次,采用响应面方法建立POD模态系数与绕组工况的相关关系,旨在实现通过绕组工况快速获得POD模态系数,从而跳过对降阶模型的复杂非线性计算,进而高效重构绕组温度场。相关算例表明,该方法具有较好的计算精度和效率,在50组测试工况下,与全阶计算相比,误差不超过2.5 K,且总计算时间仅为1.45 s;最后,基于110 kV变压器绕组搭建温升试验平台,试验结果表明,降阶计算结果相较于试验结果,平均计算误差不超过2 K,且单步计算时间仅为0.03 s,相较于同等规模的全阶计算,计算效率有较大幅度地提升。

摘要：为建立满足实时性要求的磁流变液延时机构数字孪生体,针对传统流场仿真计算比较复杂耗时的问题,构建了该机构流体域降阶模型以实现其延时性能的快速计算。利用磁流变液延时机构流体域有限元全阶模型的参数化仿真作为样本数据,在DOE实验设计的基础上采用响应面法完成了流体域降阶模型建立,并结合有限元全阶模型仿真及高速旋转等效试验验证了降阶模型的精度及其可行性。结果表明传统流场与降阶模型仿真结果趋势相同,在检验工况中两者误差在5%以内,但降阶模型的仿真速度是流场仿真的100倍,即降阶模型可以在保证磁流变液延时机构模型求解精度的同时提高求解效率。

摘要：为了对热过程控制进行设计,常采用“热流耦合”的计算流体力学(CFD)方法对热过程进行模拟,为了得到合理的热控制方案,常需要反复的CFD分析,成本较高,而且不方便实时调整控制方案。为解决这一问题,基于Volterra级数降阶模型,提出了一种热过程快速分析预测的方法,为热过程控制策略制定及控制参数确定提供了一种工具。该方法根据在阶跃温度加热条件下热过程系统的响应,辨识Volterra级数降阶模型的核函数,构建系统温度与控制条件之间关系的降阶模型,进而快速计算不同控制过程下系统的温度响应。该降阶模型可以用来实时预测系统的加热过程和优化系统的热过程控制方法。算例的结果表明:采用Volterra级数降阶模型得到的系统温度响应与采用CFD方法得到的响应一致,且采用降阶模型方法进行热过程预测和控制优化的效率非常高。

摘要：阵风是大气中一种强度较大的风扰动。降阶模型是解决阵风响应CFD数值模拟计算成本高和周期长的有效手段。针对阵风响应的高效高精度计算分析需求,基于非定常CFD数值模拟和本征正交分解并行方法,研究发展了基于物理的非线性最小二乘法阵风响应非线性预测降阶模型,采用亚声速和跨声速算例进行了验证。阵风响应非线性降阶模型预测结果与CFD非定常计算结果的对比分析表明:该模型具有可靠的计算精度和较高的效率,适合用于飞机设计所需的阵风精确高效快速分析。

摘要：为有效降低使用计算流体力学(CFD)方法的设计成本和周期,降阶模型(ROM)得到广泛关注。对于复杂的可压缩流动,使用本征正交分解(POD)等线性方法进行流场降维,需要大量模态才能保证流场重建的精度,采用非线性降维方法能够有效减少所需模态数。卷积自编码器(CAE)是一种由编码器和解码器组成的神经网络,能够实现数据降维和重构,可看作是POD方法的非线性拓展。采用CAE进行流场数据的非线性降维,同时使用长短期记忆(LSTM)神经网络进行流场状态的时间演化。对于不可压缩问题,使用自编码器和LSTM结合进行流场重构的方法已有较多研究,选择一维Sod激波管、Shu-Osher问题、二维黎曼问题和开尔文-亥姆霍兹不稳定性算例,测试该ROM对非定常可压缩流动的有效性,同时基于POD方法,在不同模态数下构造Sod激波管和黎曼问题的ROM作为对比。结果表明:对于非定常可压缩流动,CAE-LSTM方法能够在使用较少自由变量数的前提下获得较高的重构和预测精度。

摘要：传统的共振计算方法试图对能谱进行诸多近似和预测来实现有效共振自屏截面的计算,但传统方法存在精度与效率难以兼顾的问题。本文采用广义并群理论和降阶模型方法,挖掘复杂能谱的特征,降低共振计算的复杂程度。通过对典型背景截面的超细群能谱的提取,建立能谱样本空间。通过奇异值分解和低秩近似,有效获取代表能谱特征的正交基函数。通过求解考虑正交基函数分布权重下的宽群角通量展开系数,实现目标问题下超细群能谱的重构,并用精细能谱并群计算得到了有效共振自屏截面。初步结果表明,基于能谱降阶模型的共振计算方法能有效预测共振自屏截面,其计算效率与超细群方法相比具备一定的优势。

摘要：具有方形断面的结构或构件广泛应用于实际工程中,针对方柱绕流风荷载和风致振动特性开展研究至关重要。方柱绕流的尾流效应往往涉及多种复杂流动现象,捕捉其流动主要模态对深入分析流场特性以及流动控制具有重要意义。该文基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法建立了能够提取流场主要模态并进行流场重构的降阶模型。基于数值模拟获取非定常流场快照;利用DMD进行主要模态提取;基于提取的主要模态对非定常流场进行重构。结果表明:DMD方法提取的前4阶模态能够准确重构原始流场,为流动控制和结构设计提供参考。