检索结果-内蒙古大学图书馆

第十三届全国流体力学学术会议

作者：王太阳赵耀民北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

受逆压梯度影响,航空发动机压气机叶栅边界层常常会表现出非定常分离的特性,导致流动损失显著升高。准确预测非定常分离的频率响应,对于发展边界层控制策略以优化叶栅翼型性能乃至预防失速具有指导意义。另外,流动分离影响下可能出现高... 详细信息

受逆压梯度影响,航空发动机压气机叶栅边界层常常会表现出非定常分离的特性,导致流动损失显著升高。准确预测非定常分离的频率响应,对于发展边界层控制策略以优化叶栅翼型性能乃至预防失速具有指导意义。另外,流动分离影响下可能出现高分贝的纯音噪声。探究纯音噪声的频谱特性及发声机制,对于减小噪声具有重要的应用价值。然而,叶栅内流环境中往往存在多种不稳定机制,且相应的高质量流场数据较为缺乏,压气机叶栅中的频率响应机制仍不明晰,需要进一步的研究。本研究开展直接数值模拟(DNS)研究,重点关注压气机叶栅边界层非定常分离的频率响应。我们共设置了两个三维压气机平面叶栅算例:一个无外加扰动影响,叶片两侧边界层均由层流边界层分离主导(case-L);另一个算例中施加了初始随机小扰动,叶片吸力侧边界层表现出明显的分离诱导转捩过程(case-T)。受复杂压力梯度影响,case-L吸力侧边界层表现为规则的涡脱落;而由于转捩的发生,case T吸力侧边界层非定常分离发生后会很快再附。在压力侧,两算例都表现为离散的闭合分离泡。基于动力学模态分解(DMD)的结果,两算例的主模态频率表现出显著差异。特别地,频谱分析表明case-L表现出纯音噪声特性。基于DNS流场与二维线性稳定性分析(Jones et al., ***., 2010),我们在case-L吸力侧边界层中观察到从非定常分离点出发的下行不稳定波和尾缘散射导致的上行声波,两者相互作用形成的声反馈机制在绝对不稳定性作用下得以维持。声反馈模型很好地解释了case-L表现出的离散频率,而主频的筛选则可能由近尾迹不稳定性决定。相反的,受mode-B三维不稳定性的影响,case-T在吸力侧表现出自维持湍流特性。复杂的展向三维结构破坏了压力脉动的规则周期与相位,削弱了声反馈(Gelot&Kim, J. Fluid Mech., 2020)。因此,case-T未表现出明显的纯音噪声,且其主频可以被线性稳定性分析很好地预测。由于压力侧边界层表现出对流不稳定特性,两算例在压力侧无明显差异,其分离频率或受到吸力侧尾缘散射声波的调制。

关键词：压气机叶栅边界层非定常分离气动声学湍流转捩

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过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

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中国科学：地球科学 2024年第1期54卷 64-82页

作者：孙炜毅陈德亮闾国年宁亮高超超张人禾王斌刘健虚拟地理环境教育部重点实验室江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京师范大学地理科学学院南京210023 Regional Climate Group Department of Earth SciencesUniversity of GothenburgGothenburg 40530Sweden 浙江大学环境与资源学院杭州310058 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院上海200438 Department of Atmospheric Sciences and Atmosphere-Ocean Research Center University of Hawaii at ManoaHonoluluHI 96825USA 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京师范大学数学科学学院南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室青岛266237

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的... 详细信息

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530~700、1200~1460和1600~1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等气候系统内部变率模态的相位、振幅、周期和机理尚存在争议,这会加大重建-模拟之间的差异.此外,其他的气候系统内部变率、火山强迫重建的不确定性、气候模式的不确定性以及气候背景等也可能导致重建–模拟结果的分歧.

关键词：重大火山喷发气候变率影响机理过去2000年气候系统内部变率

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基于基因表达式编程的数据驱动湍流建模

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力学学报 2021年第10期53卷 2640-2655页

作者：赵耀民徐晓伟北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 澳大利亚墨尔本大学机械工程系澳大利亚墨尔本3010

计算流体动力学是湍流研究的重要手段,其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用.雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度,而实际工程应用中常用的模型往往精度有限.近年来,数据驱动的湍流建模方法得到越... 详细信息

计算流体动力学是湍流研究的重要手段,其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用.雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度,而实际工程应用中常用的模型往往精度有限.近年来,数据驱动的湍流建模方法得到越来越多的关注.本文介绍了基于基因表达式编程(gene-expression programming,GEP)方法的湍流建模相关进展.本文首先讨论基因表达式编程应用于湍流建模的具体方法,包括基本算法、显式代数应力模型和湍流传热两种建模框架、模型测试方法以及损失函数设置等.在此基础上,基因表达式编程方法被应用于涡轮叶栅尾流混合、竖直平板间自然对流、三维横向流中的射流等问题.结果表明,GEP可以有效提升常用模型对于尾流混合损失、壁面热通量等关键参数的预测精度.基因表达式编程方法可以显式给出模型方程,因此模型具有可解释性强等特点.基于双向耦合方法得到的模型还被证明具有较好的后验测试精度和鲁棒性.基因表达式编程方法还被初步应用于大涡模拟亚格子应力和边界层转捩等问题的建模,在不同湍流建模领域表现出很大的潜力.

关键词：湍流雷诺平均模拟显式代数应力模型湍流传热模型基因表达式编程机器学习

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历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展

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第四纪研究 2023年第4期43卷 1123-1132页

作者：宁亮刘健刘征宇严蜜孙炜毅陈可凡覃燕敏薛姣王鎏琳汪琪李楚鑫吴芬李奔月南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室/江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京师范大学地理科学学院江苏南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室山东青岛266237 马萨诸塞大学地球科学系气候系统研究中心阿默斯特马萨诸塞州01002 中国科学院机构地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室陕西西安710061 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京师范大学数学科学学院江苏南京210023 俄亥俄州立大学地理系哥伦布俄亥俄州43210

本文总结了历史时期中国东部年代际干旱时空特征及成因机制的最新研究进展。作为典型季风区,中国东部年代际干旱均与典型的弱季风事件相关,空间特征上呈现出南涝北旱或者全区干旱的模态。成因机制方面,年代际干旱由气候系统内部变率(PDO... 详细信息

本文总结了历史时期中国东部年代际干旱时空特征及成因机制的最新研究进展。作为典型季风区,中国东部年代际干旱均与典型的弱季风事件相关,空间特征上呈现出南涝北旱或者全区干旱的模态。成因机制方面,年代际干旱由气候系统内部变率(PDO、AMO)和外强迫(包括火山活动、太阳辐射、温室气体、人为气溶胶、土地利用等)共同作用引发,其中,气候系统内部变率主要对年代际干旱起到触发作用,外强迫对干旱强度和持续时间起到加剧作用;此外,外强迫还通过改变气候系统内部变率的频次和强度来改变年代际干旱的频次、强度、持续时间;最后,本文还探讨了历史时期中国东部年代尺度干旱研究中未解决的问题及未来研究方向。

关键词：历史时期年代际干旱东亚季风气候模拟

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基于投票机制和动态分配价值点的集成超目标优化算法

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南京师大学报（自然科学版） 2024年第4期47卷 59-67页

作者：刘新平孙越泓刘佛祥南京师范大学数学科学学院江苏南京210023 大规模复杂系统数值模拟教育部重点实验室江苏南京210023 南昌大学信息工程学院江西南昌330029

在超目标优化问题中,目标之间的冲突会导致没有一个解可以同时优化所有目标,求解时存在大量非支配解.选择合适的解排序算法评估解的质量,对算法性能起着关键作用.而不同的解排序算法,在处理不同的超目标问题时有着各自的优劣.因此,本文... 详细信息

在超目标优化问题中,目标之间的冲突会导致没有一个解可以同时优化所有目标,求解时存在大量非支配解.选择合适的解排序算法评估解的质量,对算法性能起着关键作用.而不同的解排序算法,在处理不同的超目标问题时有着各自的优劣.因此,本文提出一个基于投票机制和动态分配价值点的集成框架(ensemble many-objective evolutionary algorithm based on voting and dynamic value point,VDVP-EMEA),将不同解排序算法聚合在一起协同工作.首先,根据每种解排序算法的有效投票率,动态分配每个专家拥有的价值点,有效投票越多的解排序算法,相应赋予更多的价值点,反之则对价值点进行惩罚.然后使用末位淘汰制,废弃能力最差的专家的投票.其次,在环境选择过程中,使用精英选择策略,通过投票结果和价值点来定义个体适应度,适应度越大的个体越优先被选择.最后,为了测试VDVP-EMEA算法的性能,进行大量试验,将VDVP-EMEA与4种常用的单一解排序算法NSGA-III、SPEA2、BiGE、GrEA和一种先进的集成算法VMEF进行了比较.实验结果表明,VDVP-EMEA的收敛性和多样性明显优于这些算法.

关键词：集成框架投票机制超目标优化问题解排序算法

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过去2000年北半球不同纬度温度对火山活动的响应

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科学通报 2021年第24期66卷 3194-3204页

作者：孙炜毅刘健高超超陈敏南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室/江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 南京师范大学数学科学学院江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室青岛266237 浙江大学环境与资源学院杭州310058 江苏省测绘工程院南京210013

火山活动是影响气候变率的重要外强迫因子,研究火山喷发对气候的影响有助于提高对温度变化的提前预警,也对未来地球工程计划具有指示意义.然而,目前仍不清楚不同纬度的火山喷发影响北半球不同纬度温度变化的特征、敏感性和影响机理.本... 详细信息

火山活动是影响气候变率的重要外强迫因子,研究火山喷发对气候的影响有助于提高对温度变化的提前预警,也对未来地球工程计划具有指示意义.然而,目前仍不清楚不同纬度的火山喷发影响北半球不同纬度温度变化的特征、敏感性和影响机理.本研究基于通用地球系统模式完成了涵盖过去2000年的火山活动敏感性试验,并挑选出大于5 Tg的21个北半球火山(NHV)、31个热带火山(TRV)和18个南半球火山(SHV)喷发事件,分别探究了这三类火山喷发对北半球低、中和高纬度温度变化的影响.研究发现:TRV的总喷发强度是NHV和SHV的1.9和3.3倍,喷发后对各纬度的降温影响最强.然而,换算为相同喷发强度下,在火山喷发后第1~24月, TRV和NHV对北半球低纬度降温效率相近(约-1℃/100 Tg),而SHV贡献相对较弱;NHV对北半球中、高纬度降温效率最强(-1.9和-2.3℃/100 Tg),约是TRV的2倍,而SHV则没有显著影响.具体的影响机理是:不同纬度的火山喷发均通过阻挡大气顶层短波辐射的直接作用造成北半球低、中纬度的降温.在高纬度地区, NHV和TRV在第1~24月通过减弱短波辐射造成地表降温,引起海冰扩张,从而触发海冰-反照率正反馈机制加强夏、秋季降温;而在第25~48月火山气溶胶大量衰退,高纬度降温则来自于中高纬度海洋向北热输送的减少这一间接作用使海冰-反照率机制得以维持的影响,且海洋向北热输送的减弱对NHV更为敏感,约为TRV的2倍.

关键词：火山活动地球系统模式温度变化敏感性影响机理

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过去2000年3个典型暖期北半球季风降水的模拟研究

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第四纪研究 2021年第2期41卷 510-521页

作者：戴张奇刘健孙炜毅易慧郁南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室/江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京师范大学地理科学学院江苏南京210023 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京师范大学数学科学学院江苏南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室山东青岛266237

理解北半球季风降水在暖期的变化特点及其对外强迫的响应对现代社会经济发展至关重要。文章基于通用地球系统模式(CESM)过去2000年气候模拟试验结果和气候同化资料(LMR),探究罗马暖期、中世纪气候异常期和现代暖期北半球季风降水的特征... 详细信息

理解北半球季风降水在暖期的变化特点及其对外强迫的响应对现代社会经济发展至关重要。文章基于通用地球系统模式(CESM)过去2000年气候模拟试验结果和气候同化资料(LMR),探究罗马暖期、中世纪气候异常期和现代暖期北半球季风降水的特征及其成因机制。结果表明:在这3个典型暖期中,北半球季风降水都呈现增加的趋势,其降水异常场的空间分布是相似的,但是3个暖期的季风降水强度截然不同,罗马暖期和中世纪气候异常期降水强度相似,而现代暖期季风降水强度明显强于前两个暖期,其降水异常值约为前两个暖期的1.2倍。3个暖期的降水增多均由热力作用主导,其中罗马暖期和中世纪气候异常期主要受到太阳辐射增强而引起的热力作用增强的影响,火山活动微弱导致的动力作用增强也有一定的贡献;而在现代暖期,太阳辐射和火山活动对于热力、动力的贡献与前两个暖期相似,但是温室气体增多引起热力、动力作用显著增强,从而导致现代暖期总的热力、动力作用都明显高于前两个暖期。

关键词：北半球季风降水罗马暖期中世纪气候异常期现代暖期热力动力过程

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强顺压梯度和壁面曲率对叶栅边界层流动与传热的影响

强顺压梯度和壁面曲率对叶栅边界层流动与传热的影响

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第十二届全国流体力学学术会议

高压涡轮(High-Pressure Turbine,HPT)作为航空发动机中的关键部件,通常运行于高温、高压、高雷诺数和高马赫数、强来流扰动等极端工况之下,其气动和换热直接影响到发动机性能和寿命。高压涡轮的极端工况不但导致边界层内极端复杂的流... 详细信息

高压涡轮(High-Pressure Turbine,HPT)作为航空发动机中的关键部件,通常运行于高温、高压、高雷诺数和高马赫数、强来流扰动等极端工况之下,其气动和换热直接影响到发动机性能和寿命。高压涡轮的极端工况不但导致边界层内极端复杂的流动和传热机理,而且也给常规实验和数值模拟手段带来挑战。本研究基于高压涡轮高精度大涡模拟数据库(Zhao&Sandberg,*** Mech.,2020),关注涡轮叶栅压力侧边界层的流动和传热机理。我们发现,叶片压力侧边界层受到强顺压梯度与壁面曲率诱导的G?rtler不稳定性两种因素的共同作用。一方面,顺压梯度的稳定机制抑制了边界层内速度脉动的生长,使平均流动保持层流状态。因此,在远离叶片尾缘的区域,速度边界层具有自相似性,可以用Falker-Skan方程近似描述,同时获得表面摩擦系数的良好估计。另一方面,在叶片边界层下游,随着G?rtler数迅速增大,G?rtler不稳定性逐渐发挥主导作用,导致边界层内速度脉动快速增长,对应于近壁区小尺度涡结构的生成。这些涡结构引起近壁区流体的法向输运,诱导类蘑菇状结构从壁面生长,引起动量和能量的剧烈掺混,极大地提高了壁面热流量,这也导致了雷诺比拟的失效。由本数据库中不同算例出发,我们还进一步讨论了来流湍流强度和长度尺度对于压力侧边界层传热的影响。当来流湍流强度较小时,由于边界层对小波长扰动的选择放大机制(Nagarajan et al.,*** Mech.,2007),来流湍流长度尺度较大的算例中边界层内速度脉动较弱;同时叶片表面的传热强度也较弱,此时滞止流区间的表面传热可以由"等效湍流强度"模型很好地刻画。而当来流湍流强度较强时,近壁区涡结构更加混乱无序,进一步增强了流动的法向输运,使壁面热流显著提升。

关键词：涡轮叶栅边界层强顺压梯度壁面曲率边界层结构传热

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基于基因表达式编程和符号回归神经网络的大涡模拟建模

基于基因表达式编程和符号回归神经网络的大涡模拟建模

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：李昊辰赵耀民北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

流体力学应用中常需要引入多种物理模型,例如大涡模拟的亚格子应力模型、壁面模型等。在针对大涡模拟模型的数据驱动建模过程中,一个关键问题是如何快速准确地训练模型表达式。作为训练显式模型方程的常用方法,符号回归是一种在符号表... 详细信息

流体力学应用中常需要引入多种物理模型,例如大涡模拟的亚格子应力模型、壁面模型等。在针对大涡模拟模型的数据驱动建模过程中,一个关键问题是如何快速准确地训练模型表达式。作为训练显式模型方程的常用方法,符号回归是一种在符号表达式空间内,针对给定数据集搜索其最佳描述模型的回归分析方法。相对于深度神经网络等方法获得的"黑箱"模型,符号模型具有紧凑性、可解释性强的特点,并且一般有良好的泛化能力,因此在物理建模等领域有重要的应用价值。以基因表达式编程(gene-expression programming,GEP)为代表的遗传算法是处理符号回归问题的最常用方法。然而,遗传算法的寻优过程是一种无方向性的全局随机搜索,难以针对表达式中出现的常数系数进行定向优化,因此存在模型难以优化常数系数、训练过程收敛效率较低等缺点。本研究针对以上缺陷,发展了一种基于基因表达式编程和符号回归神经网络的物理建模方法,称之为基因表达编程神经网络(gene-expression programming neural network,GEPNN)。该方法基于GEP算法的基本架构,将符号表达式编码为染色体的形式,通过模仿自然选择机制,对包含大量个体的种群进行迭代寻优。本研究将符号回归神经网络引入到GEP的寻优过程,在迭代过程中选择GEP提供的染色体个体构建神经网络,将染色体中的常数系数转化为神经网络中的可训练权重,利用梯度快速优化神经网络,寻找到局部最优的常数系数。待神经网络优化告一段落,将网络结构还原为GEP中的染色体,以继续进行GEP的迭代寻优。我们首先引入理想气体状态方程等不同复杂程度的物理问题作为测试算例,验证了GEPNN算法可以快速收敛得到显式方程,且方程系数更加准确。我们将GEPNN算法应用于大涡模拟的亚格子应力建模和槽道流壁面模型建模。相较于传统GEP算法的建模结果,GEPNN算法得到的模型表达式更为精准,在先验测试中表现出更高的相关性。我们进一步将训练得到的模型方程应用于后验测试。在均匀各向同性湍流的大涡模拟中,基于GEPNN亚格子应力模型的数值模拟可以准确预测高阶湍流统计量,与DNS结果吻合性较好。我们还将训练得到的壁面模型应用于槽道流大涡模拟,GEPNN模型在不同雷诺数的槽道流算例中表现出更好的泛化能力。综上可见,GEPNN结合了GEP全局随机搜索的优势与符号回归神经网络的局部优化能力,在物理建模应用中可以快速准确地得到目标表达式及其模型系数。

关键词：符号回归神经网络基因表达式编程大涡模拟模型

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第33届江苏省化学竞赛选拔赛有机试题解析

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大学化学 2021年第4期36卷 297-304页

作者：汤义涵徐嘉伟王佳鑫王钰如薛冰张致慧常州大学石油化工学院江苏常州213164 南京师范大学教师教育学院南京210023 江苏省“大规模复杂系统数值模拟”重点实验室南京210023

详尽讨论了第33届中国化学奥林匹克竞赛(江苏赛区)夏令营暨选拔赛考试有机化学部分试题,并进行了多方面的拓展。同时采用计算化学方法辅助教学,供指导老师和参赛选手进行参考。

关键词：化学奥林匹克竞赛试题解析有机化学计算化学知识拓展

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