热流固耦合非线性响应及其高效计算方法

成果基本信息
关键词：	热流固耦合;非线性响应;高效计算
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	9612016J0046	资源采集日期：	2016-11-20

研究情况
单位名称：	西安交通大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：
评价日期：	2016.02.01	评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
本项目属于力学、航空宇航科学与技术等交叉学科的应用基础研究领域。热/流/固耦合行为及其响应高效计算是多场服役环境下结构设计与安全性评价的理论基础，其研究具有重要学术意义和工程应用价值。但因其复杂性及传统计算方法低效率，国际上研究进展缓慢，成为阻碍多场耦合设计工程应用的主要瓶颈之一。本项目历时 5 年，对热/流/固耦合非线性响应与高效计算方法开展了系统深入的研究。主要发现点如下： 1. 建立了湿、热环境下结构声/振耦合特性与响应的理论方程，获得了板结构湿、热/声/振非线性响应的理论解；揭示了湿胀、热胀应力及变形对结构刚度的影响机制，并得到实验验证；建立了考虑热应力及热变形效应的热结构声/振耦合数值分析方法及宽频数值分析方法；进一步，首次建立了建立了热结构动柔度、声辐射功率最小化的结构轻量化拓扑优化设计数学模型与计算方法。 2. 提出了非线性流固耦合系统自适应鲁棒降阶思路、建模框架及构造方法，构造了国际上首个流固耦合线性参变自适应降阶模型，建立了基于自适应鲁棒降阶模型的非线性气动弹性主动控制律设计方法；并在国际上较早提出了基于 Navier-Stokes 方程及Lattice-Boltzmann 方法的流动与传热模拟的多 GPU 并行高效多维区域分割与负载调度算法，率先实现了基于 CPU/GPU 体系架构每秒 10E15 次浮点运算的超高性能大规模流动数值模拟，突破了桌面级计算系统进行热/流/固耦合非线性响应快速预测的瓶颈。 3. 基于发展的结构热声振耦合理论与方法、降阶模型与多 GPU 并行计算技术，提供了结构非线性声振响应高效解决方案，支撑了重型燃机叶片汽膜冷掺混机理、槽道湍流直接模拟与大涡模拟、城市风流大涡模拟等千兆次超大规模并行数值计算，开发了具有自主知识产权的软件。为新型飞行器热防护结构设计与安全评价、基于 CFD/CSD 耦合数值模拟的柔性飞行器近实时气动伺服弹性分析与控制提供了理论和方法支撑。成果得到国内外学者高度认可。印度宇航实验室的N. Chandra博士以本项目多场耦合模型为基准验证他们研究结果：“本文的模拟结果与耿和李的结果具有良好的一致性”；意大利米兰理工大学P.Mantegazza教授小组评价“提出了一种具有严格数学理论的空气动力系统辨识方法”，“可能代表了当前的主流发展方向”；斯坦福大学宇航工程系主任C.Farhat教授在同一文中4次引用本项目的自适应降阶模型构造方法，作为其学术观点的主要支撑文献；中科院胡海岩院士在2015年中国力学大会的大会报告中评论道：李跃明教授课题组在非线性气动力降阶模型研究做了有益的工作；本项目建立的多GPU-LBM并行计算方法的论文在Parallel Computing当年下载量top25中名列第一，在日本理研举办的2012年“京”世界超算研讨会上荣获唯一最优奖。本项目在JASA，J SV，J. AIR，Parallel. Comp. 等国际著名期刊发表论文共40篇，总引126次，其中15篇代表作总引85次、SCI他引32次；应邀在国内外作学术报告数次，国际会议报告20余次，产生了良好的学术影响；成果运用于国家重大专项、国家973项目等，对重大基础研究及型号研制起到积极支撑作用，促进了项目成果的工程应用。

成果名称：	热流固耦合非线性响应及其高效计算方法	关键词：	热流固耦合;非线性响应;高效计算
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	机械设计	三级分类名称：
研究起止时间：	2010.01 至2015.04	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	西安交通大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：
经费实际投入额（万元）：	0.00	评价单位：
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2016.02.01	转让范围：
评价证书号：		推荐单位：
推广形式：	无	成果登记号：	9612016J0046
成果简介：	本项目属于力学、航空宇航科学与技术等交叉学科的应用基础研究领域。热/流/固耦合行为及其响应高效计算是多场服役环境下结构设计与安全性评价的理论基础，其研究具有重要学术意义和工程应用价值。但因其复杂性及传统计算方法低效率，国际上研究进展缓慢，成为阻碍多场耦合设计工程应用的主要瓶颈之一。本项目历时 5 年，对热/流/固耦合非线性响应与高效计算方法开展了系统深入的研究。主要发现点如下： 1. 建立了湿、热环境下结构声/振耦合特性与响应的理论方程，获得了板结构湿、热/声/振非线性响应的理论解；揭示了湿胀、热胀应力及变形对结构刚度的影响机制，并得到实验验证；建立了考虑热应力及热变形效应的热结构声/振耦合数值分析方法及宽频数值分析方法；进一步，首次建立了建立了热结构动柔度、声辐射功率最小化的结构轻量化拓扑优化设计数学模型与计算方法。 2. 提出了非线性流固耦合系统自适应鲁棒降阶思路、建模框架及构造方法，构造了国际上首个流固耦合线性参变自适应降阶模型，建立了基于自适应鲁棒降阶模型的非线性气动弹性主动控制律设计方法；并在国际上较早提出了基于 Navier-Stokes 方程及Lattice-Boltzmann 方法的流动与传热模拟的多 GPU 并行高效多维区域分割与负载调度算法，率先实现了基于 CPU/GPU 体系架构每秒 10E15 次浮点运算的超高性能大规模流动数值模拟，突破了桌面级计算系统进行热/流/固耦合非线性响应快速预测的瓶颈。 3. 基于发展的结构热声振耦合理论与方法、降阶模型与多 GPU 并行计算技术，提供了结构非线性声振响应高效解决方案，支撑了重型燃机叶片汽膜冷掺混机理、槽道湍流直接模拟与大涡模拟、城市风流大涡模拟等千兆次超大规模并行数值计算，开发了具有自主知识产权的软件。为新型飞行器热防护结构设计与安全评价、基于 CFD/CSD 耦合数值模拟的柔性飞行器近实时气动伺服弹性分析与控制提供了理论和方法支撑。成果得到国内外学者高度认可。印度宇航实验室的N. Chandra博士以本项目多场耦合模型为基准验证他们研究结果：“本文的模拟结果与耿和李的结果具有良好的一致性”；意大利米兰理工大学P.Mantegazza教授小组评价“提出了一种具有严格数学理论的空气动力系统辨识方法”，“可能代表了当前的主流发展方向”；斯坦福大学宇航工程系主任C.Farhat教授在同一文中4次引用本项目的自适应降阶模型构造方法，作为其学术观点的主要支撑文献；中科院胡海岩院士在2015年中国力学大会的大会报告中评论道：李跃明教授课题组在非线性气动力降阶模型研究做了有益的工作；本项目建立的多GPU-LBM并行计算方法的论文在Parallel Computing当年下载量top25中名列第一，在日本理研举办的2012年“京”世界超算研讨会上荣获唯一最优奖。本项目在JASA，J SV，J. AIR，Parallel. Comp. 等国际著名期刊发表论文共40篇，总引126次，其中15篇代表作总引85次、SCI他引32次；应邀在国内外作学术报告数次，国际会议报告20余次，产生了良好的学术影响；成果运用于国家重大专项、国家973项目等，对重大基础研究及型号研制起到积极支撑作用，促进了项目成果的工程应用。
联系人：	陈刚	成果登记日期：	2016-03-25
联系人email：		单位代码：	96100031
邮政编码222：	710049	联系人电话：	029-82668340
单位传真：	029-83234772	单位通讯地址：	陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
单位所在省市：		单位电话：	029-82668234;82668338;82668382
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2016	知识产权形式：
成果完成人：	李跃明;陈刚;王娴;陈花玲;耿谦;杨雄伟	资源采集日期：	2016-11-20

热流固耦合非线性响应及其高效计算方法

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