不可压缩大流场多体运动建模与数值仿真

• 作 者: 于军
• 机 构: 中国科学院沈阳自动化研究所
• 出 处: 中国科学院沈阳自动化研究所
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 不可压缩流场 多体运动 流体动力学 重叠网格法 神经网络控制

不可压缩流体区域中多个(主动)物体的运动是许多工程问题的理论基础，因此吸引了不同领域研究人员的浓厚兴趣。经过科研人员的努力，该问题的研究工作已经取得了一些突破性的成果。但是此运动包含复杂的流体和刚体耦合运动，所以仍有大量问题需深入研究，如流体和刚体运动机理、流体和刚体运动方程的求解方法、耦合运动的解耦方法以及物体的运动控制方法等等，为此本文进行了如下工作。
首先，本文在参考水下物体运动模型的基础上，提出一种不可压缩流体中多体运动模型。相比于已有水下物体运动模型，该模型不仅准确计算物体受到流体阻力，而且能够建立起流体阻力随时间变化的关系。
其次，流体动力学方程组求解的准确程度直接关系该模型的计算精度，本文在分析流体动力方程组对流项误差产生原因的基础上，提出了一种改进离散方法，提高了物体运动模型的计算精度。由于流体中物体自由运动，导致离散网格随时间改变，这增加了求解模型的难度。在比较了多种可变网格技术的基础上，我们引入了重叠网格技术，从而实现了流体中多体运动模型的求解。
第三，本文提出的物体运动模型包含复杂的非线性偏微分映射关系，因此应用此模型设计运动控制系统时，需要建立一种适用于该模型的控制方法。本文利用神经网络对非线性函数的逼近能力，并通过采用差商近似代替微分的方法，建立了系统输入输出之间近似映射关系，在此基础上设计了一种控制方法。应用该控制方法，对运动轨迹跟踪问题进行了仿真试验，结果表明该控制方法的可行性和有效性。