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关键词： 激光通信   大气湍流相位屏   深度学习   卷积生成对抗网络  

摘要： 空间激光通信系统利用激光作为载体,在空间和地面之间传输信息,由于其具有高速,大带宽和延迟低的优势,未来势必会成为人类进行信息传输的重要工具。然而,大气的吸收和散射,温度与湿度,大气湍流等因素会对空间激光传输造成挑战,其中大气湍流会导致相位失真和光强波动从而影响通信质量。因此,了解和模拟大气湍流对激光通信系统性能的影响至关重要。在激光通信系统的模拟中,需要考虑激光源、调制器、大气信道、接收器等多个模型组成部分。激光源产生稳定的激光信号,调制器对信号进行调制,大气信道传输信号,接收器接收并解调信号。其中大气信道模型中,大气湍流会引起激光束的折射、散射和衍射,导致信号衰减和失真,因此对湍流结构和参数进行建模和仿真对激光通信系统模拟和实际激光通信的信号传输过程都具有科学理论意义和现实应用意义。 本文首先阐述空间激光通信研究意义和发展现状,并介绍大气湍流仿真技术的研究进展,然后明确了空间激光通信系统的组成和工作原理,并对激光通信系统模型进行模拟和验证,从而发现大气模型对信号传输所产生的影响。最后深入地了解大气湍流的理论模型并对其模型进行创新性的改造。本文的主要工作如下: (1)介绍空间激光通信系统重光学系统的原理和组成,并对其光发射系统模型,光接收系统模型,大气信道模型进行理论分析,确定具体仿真原理和设置参数,使用Optisystem软件对系统进行仿真,并讨论不同条件下对于激光通信系统传输特性的影响。 (2)针对大气信道模型对激光通信系统的影响,重点研究大气湍流数值模拟仿真的原理,重点讨论了功率谱反演法和Zernike多项式法,并对功率谱反演法进行模拟验证。为方便对比,模拟了功率谱反演法下不同湍流折射常数下的大气湍流相位屏对高斯光束的影响。 (3)引入深度学习算法,介绍深度学习算法的种类和神经网络的基本原理,并且提出基于DCGAN模型生成大气湍流相位屏的方法,并对生成的相位屏进行模拟验证试验和讨论。

关键词： 无人驾驶   轨迹规划   跟踪控制   模型预测控制   规控一体化  

摘要： 无人驾驶汽车结合了地图定位、环境感知等信息技术,能够实现自主决策、路径规划以及路径跟踪等智能驾驶功能。其中,路径规划的任务是综合考虑避撞、舒适性等目标,确定车辆在道路网络中的最佳路径,以到达预定目的地;跟踪控制的任务是通过执行层协同,使车辆沿规划路径准确行驶。本文针对无人驾驶车辆高速或在低附着道路进行局部路径规划和跟踪控制时,易出现轮胎力接近饱和而使规划路径难以实际跟踪,以及动态场景下无人车需通过变速处理优化避撞路径等问题,基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)算法,提出一种规划过程考虑底层执行系统能力的一体化规控方法。主要工作内容如下: (1)考虑车辆控制系统执行能力的避撞路径规划。为规划出契合车辆控制系统执行能力的路径,设计基于模型预测控制原理的路径规划算法,在生成路径时施加约束。首先建立车路耦合广义动力学模型以及考虑车辆控制系统执行能力的约束条件,包括质心侧偏角、地面附着条件及前轮转角约束等,基于MPC生成向前时域内满足约束条件的预测候选路径,然后结合障碍物位姿信息与碰撞风险代价筛选满足避撞的候选路径,同时设计代价函数筛选总代价成本最低的候选路径,最后使用五次多项式对局部离散最优路径点进行拟合。 (2)考虑变速超车下纵向安全距离的速度规划。为了应对各种动态行驶工况,保证车辆的安全纵向距离,设计基于动态规划和二次规划的速度规划器。首先建立笛卡尔坐标系与Frenet坐标系转换模型,然后速度规划器根据当前时刻规划出局部最优路径和动态障碍物在未来时域内的纵向轨迹生成S-T图。在生成ST图的基础上,根据障碍物车的末状态,如位置、速度和加速度等信息以及自车安全距离判断进行超车或跟车行为,为得到平顺且合适的车辆速度,依据车辆行驶状态、车速、加速度以及障碍物位姿等因素使用动态规划结合二次规划的方法生成速度规划曲线。 (3)基于MPC的横纵向跟踪控制。为了实现变速情况下的车辆行驶轨迹跟踪,设计了基于模型预测控制原理的横纵向联合控制器。在接收到路径规划部分和速度规划部分传递的轨迹信息后,将其作为参考量输入到模型预测控制器中,结合点质量模型和二自由度模型建立以前轮转角和纵向加速度作为控制量的空间状态方程,对模型进行线性化和离散处理并构造线性时变模型将MPC问题转换为二次规划问题并进行求解,实现对横向运动方向和纵向运动速度的同时跟踪。 (4)基于Carsim-Simulink的MPC一体化规控算法验证。在实验仿真部分,设计了基于动力学软件Carsim和Matlab/Simulink的联合仿真平台,对本文提出的基于MPC的规划与跟踪一体化算法进行了仿真实验。同时设计了(Artificial Potential Field,APF)APF规划器与本文提出的MPC规划器进行对比实验。仿真结果表明本文所提出的MPC规划器能够在高速或低附着道路等极限工况有效的避开动态障碍物车辆,并且规划出契合车辆控制系统执行能力的路径,提高了规划路径的可执行性,同时本文所设计的横纵向联合模型预测控制器实现了路径、速度跟踪的同时跟踪,对不同路面附着条件、车速变化具有良好的鲁棒性和适应性。 (5)基于智能小车的MPC一体化规控算法测试验证。在实车测试部分,为了实现算法在无人驾驶车辆上的应用,使用了C++语言对所编写的规控算法进行语言转换,然后植入到无人驾驶小车的轨迹规划和轨迹跟踪模块完成适配,最后进行城市道路场景的实车测试实验。实测结果表明,本文所提出的一体化规控算法在应对低速园区行驶工况时能够规划出合理的可执行轨迹并进行跟踪,与障碍物的安全距离良好,行驶状态平稳。

关键词： 流线形态   类实Schur表示   正则型   迷向点   非线性速度场  

摘要： 定常流动的复杂性来源于流线形态,此时流线形态反映了流体在运动过程中的接触状态,但不满足伽利略变换下的不变性。理解流线形态的核心是速度方向迷向点附近的流线特征及其分类,这就是本文的主要研究对象。在真实流动中,速度场通常是非线性的,仅取线性速度场或速度梯度来研究流线形态是不够的。由于流线形态能够图像化展现,它更容易被人理解。流线仅依赖于速度方向,流场中速度方向不确定的点称为迷向点。本文研究二维流场中迷向点的拓扑分类及其局部流线形态,主要研究内容和结论如下: 1、引入了广义坐标变换,并据此提出了一种新的定性等价表述方法-时空变换下的不变性,建立了基于类实Schur形式的线性速度场分类。 2、对含非零线性项的非线性速度场,研究其正则形式,得到了局部流线形态的细致分类。对幂零的情况,使用了极坐标吹胀技术,得到了幂零迷向点的9种不同分类结果。 3、对迷向点的指数进行计算,并得到了一种计算指数的新方法。 4、最后分析了不可压齐次速度场的局部流线形态,并通过实际的算例进行了模拟。 本文基于流体力学背景,采用局部流线形态的说法代替动力系统理论中的局部相图,进行综合性研究,所获得的成果即有利于流体力学界加深对复杂流动结构的理解,也为微分方程定性理论、动力系统理论的进一步发展提供新的背景,推动这一交叉领域的研究。

关键词： 支板型超燃冲压发动机   化学动力学机理   氢气   简化机理   数值模型  

摘要： 针对一种支板构型超燃燃烧室开展了氢燃烧的化学反应动力学机理在超声速燃烧中的适用性研究，在选取了合适的湍流模型和反应模型后，研究了8种化学动力学机理（5种详细机理和3种简化机理）在相同工况下的超声速燃烧流场。对比了将3种湍流模型和2种反应模型组合后得到的仿真结果与实验数据，发现选用SST k-ω湍流模型和EDC反应模型进行支板型发动机燃烧室流场仿真最合理。通过对比使用5种详细机理模拟得到的燃烧室流场截面上温度、速度、OH浓度和H2O质量分数分布情况，发现结果中OH浓度分布有较大差别，其他参数差别不大；对比分析了使用简化机理得到的模拟结果与详细机理，发现3种简化机理得到的火焰结构、火焰温度和中间产物OH的分布都与详细机理差别很大。

关键词： 气泡动态   层流自然对流   传热强化   流体体积方法  

摘要： 为了缓减能源危机的窘境,节能减排技术的研发势在必行。其中提高工业传热效率是一个重要的节能减排技术。随着流动速度的降低,温度边界层的增厚会严重降低传热效率。因此,如何改善传热效率实现传热强化是亟待解决的问题。研究发现,在液相中注入气泡能有效提高传热效率,同时泡状流广泛存在于各类热质传递系统,因此研究气泡对传热的影响具有重要意义。在现有的研究体系中,多数研究忽略了气泡形变和气泡相互排列的影响,导致对气泡注入产生的传热强化规律缺乏深入的理解,未形成完善的理论体系。为此,本文利用VOF方法数值研究了进口流速、稳定自然对流及管道倾斜程度条件下气泡注入对热壁面传热的影响,并利用实验测试方法对模拟结果进行了补充和验证。可以总结如下结论: (1)气泡在不同初始流速的管道内上浮运动时,受外加速度梯度剪切和自然对流剪切的影响气泡形状会发生不同程度的剪切变形;在零流速工况中,Eo数越大,气泡变形越剧烈则横向尺寸越大,传热强化效果越明显。在非零流速工况中,球形气泡紧贴壁面滑动上浮,随进口流速的增加传热强化效果增加,随气泡直径的增大传热强化效果降低;而非球形气泡在剪切升力的影响下,逐渐远离热壁面发生横向移动,使得非球形气泡整体传热强化效果比较微弱,且随进口流速的增加传热强化能力略微减小。 (2)气泡在垂直管道稳定自然对流中上浮运动时,随着气泡直径和Eo数的增加,气泡上升速度和横向尺寸增大,传热强化效果和传热强化范围增大;对比单气泡、双气泡垂直与水平排列、以及四个气泡排列发现,对于目前的计算,双气泡垂直排列能带来较好的传热效果,原因是当双气泡垂直排列时,气泡易于发生合并现象,对冷热液体扰动更强烈;无论气泡排列方式如何,气泡距热壁面越近,传热强化效果越明显;当气泡初始位置相同时,多气泡排列方式主要影响了传热曲线的峰值和传热强化范围。 (3)管道倾斜角的改变能有效提高气泡对壁面的传热强化效果。气泡在倾斜管道热壁面附近上浮运动时,气泡会沿着热壁滑动,同时会发生剪切变形,随着倾斜角度的增大气泡变形程度增加;随Eo数和气泡直径的增加,传热强化效果增加。研究发现,气泡注入产生的传热强化程度与倾斜角度并非线性关系,即存在一个使气泡传热强化达到最大值的最佳角度。 (4)气泡注入是一种提高壁面传热的有效手段,单气泡、双气泡及四个气泡注入分别使得局部传热系数提高了1.8倍、3.2倍、2.8倍;且传热强化能力受气泡直径、气泡形状、气泡数目、气泡距热壁面的距离、碰撞方式等因素的影响。研究发现,气泡上浮运动会诱导周围液相流场出现一对环形涡,改变热壁面附近冷热流体的流动和混合效应,从而使局部热边界层减薄、改善了对流传热效果。

关键词： 湍动磁场重联   电子动力学   能量转化   磁场重联   等离子体湍流  

摘要： 日地空间环境中经常发生一些爆发性现象,例如太阳耀斑、日冕物质抛射、地球磁层亚暴等。这些爆发性现象可能会引起一些灾害性空间天气,导致卫星故障、电信中断以及大规模停电等现象。磁场重联,一种可以改变磁力线拓扑位形并将磁能转化为等离子体动能和热能的基本物理过程,被认为是这些爆发性现象产生的原因。因此,研究磁场重联对理解、预报空间中的爆发性现象至关重要。由于空间等离子体是热而稀薄的,所以一般认为其是无碰撞的。因而对磁场重联的描述一般用无碰撞磁场重联模型。无碰撞磁场重联模型认为,重联电流片是一个稳态的层流电流片。然而,三维粒子模拟发现随着重联的进行,重联电流片会由层流态演化为湍动态,即发生的重联为湍动磁场重联。利用磁层多尺度卫星,本论文主要围绕湍动态磁场重联扩散区的结构,以及等离子体湍流对重联过程中电子动力学和能量转化等过程的影响展开研究,主要内容和结论如下: 1.等离子体湍流对重联扩散区结构的影响 扩散区是磁场重联研究的核心区域,被认为是解决磁场重联触发、演化、以及粒子加速和能量转化等问题的关键。本文研究了重联湍动态扩散区的电流结构,并对比研究了其与准层流态扩散区的异同。在重联的X线附近,不同于层流态扩散区中存在一个完整的、电子尺度电流片(即电子扩散区),湍动态扩散区是一个由众多不同强度、不同方向电流丝形成的丝状电流网络结构。复杂的电流结构使得重联扩散区演化为湍动状态。这些丝状电流的很多性质与层流态电子扩散区是一致的,表明湍动态重联扩散区中复杂的三维丝状电流网络结构可能是由层流态的电子扩散区变宽并破碎而演化来的。该研究从观测上建立了由三维丝状电流网络结构形成重联湍动态扩散区的物理图像。 2.等离子体湍流对重联扩散区电子动力学的影响 电子动力学过程主导了重联扩散区的演化及其中的物理过程。本文分别研究了准层流态和湍动态扩散区中的电子动力学过程。在准层流态电子扩散区中,热电子表现为非回旋同性分布。电子的非回旋同性分布与电子自身能量和距电子扩散区中心的距离有关,能量越高的电子可以在距中心越远的区域表现为非回旋同性分布。而在扩散区中心,各个能段的电子则均表现为回旋同性分布。同时,热电子的非回旋同性分布还会受到法向电场EN的调制。电子加速在准层流态电子扩散区并不显著,非热成分电子通量没有明显增强。在湍动态重联扩散区中,则表现出完全不同的结果。电子被束缚在复杂的三维丝状电流网络结构中,表现为回旋同性分布。同时,由于电子被电流丝内的非理想电场持续加速,高达300 keV的非热成分电子通量在扩散区中明显增加。该研究揭示了不同形态重联扩散区中的电子动力学过程,表明了等离子体湍流会改变重联扩散区中的电子动力学过程,并有利于高能电子的产生。 3.等离子体湍流对重联出流区能量转化的影响 无碰撞磁场重联模型认为重联期间的能量转化过程主要发生在重联的扩散区、分界线、重联锋面的区域中,然而本文的研究表明当重联出流区演化为湍动状态时,其中会发生剧烈的能量转化过程。本文首先研究了湍动态重联出流区中磁能转化以及被释放磁能在离子和电子之间的分配规律,建立了能量转化率和电流密度之间的定量关系。结果显示能量转化率的强度<|J·E|>正比于电流密度J。磁能的释放主要通过垂直电场实现(J⊥·E⊥)。离子主要在分布广泛的弱电流区域被能化,而电子则在一些局地的强电流片中被能化。电子在弱电流区域起到发电机的作用,将自身动能转化为磁能。整体来看,被释放的磁能主要转化为离子的动能和热能,电子则由于在广泛分布的弱电流区域起发电机作用,而对等离子体湍流的演化起着重要作用。另一方面,一种实现能量转化的新机制被发现。在湍动态重联出流区中,磁通量绳中心区域被不稳定的离子流压缩并发生次级磁场重联。在这个过程中,磁通量绳分裂为两个次级磁通量绳,使得磁能由大尺度传输到了小尺度,同时将部分磁能耗散为等离子体的动能和热能。该研究表明了湍动态重联出流区在重联期间的能量转化过程中起着重要作用。 以上的研究建立了湍动态重联扩散区的物理图像,揭示了等离子体湍流对重联期间电子动力学和能量转化等过程的重要作用,为理解和预报日地空间中的爆发性现象提供了新的思路。