【北京大学成果专场】项目推荐

工业风向标 · 发表于 2021-4-8 10:38:52

　　成果一：动力学仿真软件及其工程应用

　　项目简介

　　动力学仿真软件，借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解，以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的。

　　包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术，已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域，成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台。

　　研发团队在多年基础研究和应用研究工作积累的基础上，开发了具有完全自主知识产权的商用流体动力学（CFD）数值仿真软件。该CFD软件以有限体积法为基础，在吸收现有商用CFD软件技术（如MPI并行计算技术、多重网格加速技术、RANS/DES湍流模型等）的同时，进一步嵌入了多项由北大科研团队独立发展的核心技术，包括：约束大涡模拟方法（CLES）、嵌套网格算法、高精度耦合算法。这些核心技术都是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果，可以显著提升CFD软件的计算精度、数值可靠性、特别是模拟复杂湍流分离流的准确性，代表了CFD技术的发展方向。

　　上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助，并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、国防、汽车、新能源等应用领域。

　　与此同时，研发团队还与相关企业开展技术咨询合作，将动力学仿真技术直接应用于企业相关产品的研发与优化设计过程中。例如，项目组与某风电企业合作，开展适用于低风速风场的风机叶片气动优化设计、风机阵列控制技术优化等；与某大型机电企业合作，开展新一代散热器翅片性能研究与优化设计工作；与某大型客车企业合作，开展客车机舱热管理系统优化设计、乘员舱热舒适性优化设计、整车结构强度与NVH仿真分析及优化设计等工作；与某重型卡车企业合作，开展重卡车架结构强度分析与优化设计工作等。

　　上述项目研发成果在根治企业相关产品固有设计缺陷的同时，极大地推动了企业的产品升级与技术进步。动力学仿真软件，借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解，以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的。包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术，已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域，成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台。

　　研发团队在多年基础研究和应用研究工作积累的基础上，开发了具有完全自主知识产权的商用流体动力学CFD数值仿真软件。该CFD软件以有限体积法为基础，在吸收现有商用CFD软件技术（如MPI并行计算技术、多重网格加速技术、RANS/DES 湍流模型等）的同时，进一步嵌入了多项由北大科研团队独立发展的核心技术，包括：约束大涡模拟方法（CLES）、嵌套网格算法、高精度耦合算法。这些核心技术都是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果，可以显著提升CFD软件的计算精度、数值可靠性、特别是模拟复杂湍流分离流的准确性，代表了CFD技术的发展方向。

　　上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助，并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、国防、汽车、新能源等应用领域。与此同时，研发团队还与相关企业开展技术咨询合作，将动力学仿真技术直接应用于企业相关产品的研发与优化设计过程中。

　　例如，项目组与某风电企业合作，开展适用于低风速风场的风机叶片气动优化设计、风机阵列控制技术优化等；与某大型机电企业合作，开展新一代散热器翅片性能研究与优化设计工作；与某大型客车企业合作，开展客车机舱热管理系统优化设计、乘员舱热舒适性优化设计、整车结构强度与NVH仿真分析及优化设计等工作；与某重型卡车企业合作，开展重卡车架结构强度分析与优化设计工作等。

　　上述项目研发成果在根治企业相关产品固有设计缺陷的同时，极大地推动了企业的产品升级与技术进步。

　　成果二：流动噪声和流动控制在航空航天航海中的应用

　　项目简介

　　北京大学工学院课题组曾顺利主持完成来自航空航天院所关于高超飞行器、UAV、航空涡扇发动机、和水中装备噪声等的若干工程科学项目并自行设计和建设了系列实验装备，具体有：小型消声室和缩比风扇噪声实验台一座；小型声学水槽一座；自行设计的Beamforming阵列2台。

　　该课题组研究领域涵盖航空航天航海中的流动噪声和流动控制中的科学和工程实际问题，课题组领衔专家ActaMechanicaSinica和 JournalofAeroacoustics编委，曾任总装备部气动噪声与控制重点实验室学术委员、剑桥大学访问副教授（牛顿高级学者）等职，2015年至今连续4年被Elsevier评为年度中国高被引学者（航空航天）。

　　成果三：高超声速转捩边界层气动加热机理研究

　　项目简介

　　高超音速飞行器是本世纪正在研发的前沿科技新项目，它又被称作“近空间高超音速飞行器（NSHV）”。

　　这种飞行器飞行高度可达离地面20~100km的大气层空间，这一空间位于低轨卫星轨道的下方、一般飞机的飞行高度的上方，包括大气平流层、中间层和部分热层，是尚待开发的近空间区域。

　　从科技的角度分析，高超音速飞行器同时融合了航天和航空的诸多前沿技术，这些前沿技术与传统飞行器技术比较，主要有以下几方面特点：复杂的气动特性；使用超燃冲压发动机；飞行器机体与发动机一体化；飞行器机体与推进系统和飞行器结构动态之间耦合强；飞行器模型非线性度高；飞行器飞行高度、速度跨度大；飞行环境复杂，瞬息万变；气动特性和气热特性变化剧烈；控制精度高，末制导难度大。

　　北京大学工学院研究团队在高超声速转捩边界层气动加热机理研究上取得突破，相关结果发表在流体力学重要期刊PhysicsofFluids

etters，J.Fluid Mech.,AIAAJ.上，在国际上引起高度关注。国际学界高度评价了该项工作，认为其构建了气动加热新原理，对于改进高超飞行器的设计，提高其安全性具有极为重要的意义。

　　一般认为高超声速边界层中的气动加热来自于壁面摩擦力的剪切做功，该课题组运用多种实验手段在北京大学高超声速静风洞中展开实验，并结合理论和计算方法，发现由包括胀压粘性在内的胀压做功过程会在转捩前期产生剧烈的气动加热，其大小可能超过完全湍流状态下的气动加热值，这一过程与由二次模态波引起的高频压缩——膨胀过程紧密相关。

　　这一重要发现告诉人们，在高马赫数流动中，胀压做功特别是胀压粘性系数的作用不可忽视，准确评估其大小对于高超转捩的理论分析和计算建模具有极为重要的意义。

　　成果四：线性 / 非线性一体化相控阵超声检测系统

　　项目简介

　　无损检测在现代工业中受到越来越广泛的关注，超声检测方法由于其适用性广、绿色环保等优点，一直以来是应用最广泛的无损检测方法。

　　相控阵超声检测技术具有检测速度快、效率高、缺陷检出率较高、检测方法灵活多样以及适用于狭窄空间等优点，因而近年来在能源、航空、化工以及复合材料和焊接等无损检测领域中得到了越来越广泛的应用。

　　目前，欧美等发达国家已经普遍采用了相控阵超声检测技术。最近几年，国内一些大型电力和石化公司也开始采用相控阵方法进行检测，但所使用的设备均为国外进口，比如加拿大R/DTech公司生产的PipeWIZARD管道相控阵超声检测系统，日本Olympus、美国GE等公司也分别有各自的相控阵超声检测产品。最近几年，国家相关部门也开始对相控阵超声检测技术逐渐重视起来，并于2012年底发布，2013年6月开始实施了国内第一个相控阵超声检测的国家标准－GB/T29302-2012《无损检测仪器相控阵超声检测系统的性能与检验》。

　　国内最近几年陆续有汕头超声、武汉中科仿照国外产品也开发出自己的相控阵超声检测产品，但总体指标和性能与国外产品相比还有一定差距。

　　目前所有的相控阵超声检测产品均采用线性超声模式，只用单极向的负脉冲进行发射。线性超声对于微小缺陷，如裂纹、微孔洞的检测结果不是非常理想。

　　随着材料科学的发展，工程实践中对无损检测技术的要求也越来越高，尤其是对微小缺陷、复合材料结构的检测等需求对传统超声相控阵技术的检测能力提出了挑战，将非线性超声检测技术应用于超声相控阵中是解决上述挑战的一种途径。

　　线性/非线性一体化相控阵超声检测系统采用反相脉冲发射技术和合成波束技术，在国际上首次实现了线性/非线性一体化的相控阵超声检测系统，开发出具有独立知识产权的便携式相控阵超声检测产品。

　　测试结果表明，非线性相控阵超声检测技术与线性检测技术相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点。该产品的总体性能优于国外目前在售的主流相控阵超声检测仪器。

　　成果五：颗粒材料理论的工程化运用

　　项目简介

　　颗粒材料广泛存在于自然界和人类生活和生产活动中。对其力学性质的研究不仅是当前力学学科的重要基础科学问题之一，也与诸多工程科学技术的发展密切相关，包括沙漠环境下的仿生机器人技术，冲击防护工程，地质灾害防护等。

　　围绕我国探月工程重大项目需求，研究课题组近年来系统开展了与月壤采样密切相关的颗粒物质动态力学性质及其螺旋输动力学行为等方面的研究。研究成果不仅为我国航天工程实现提供了可靠的技术保障，而且在颗粒材料力学理论研究方面取得了一些重要基础性成果。

　　课题组发表在NatureCommunications上的研究工作证实了颗粒材料具有复杂流体的典型特征。通过准静态压入实验，定量表征了介入体在颗粒材料中的阻力-深度特征曲线。

　　并从理论上了证实：通过引入一个与颗粒材料内摩擦角相关联的比例系数，流体力学中的经典阿基米德定律能够用来描述颗粒流的准静态阻力。即介入体准静态运动时所受阻力正比于颗粒密度和排开的材料体积。修正后的阿基米德定律中的比例系数是颗粒材料内摩擦角的强非线性函数。

　　该理论结果不仅能够被课题组自身的实验所证实，而且能够被已有文献的实验结果所验证。

　　该项研究不仅在颗粒材料理论研究方面具有重要的理论价值，而且已应用到探月工程月壤采样钻采工艺规程设计当中。