Data-driven Pressure Recovery in Diffusers

📄 arXiv: 2512.10801v1 📥 PDF

作者: Juan Augusto Paredes Salazar, Ankit Goel, Rowen Costich, Meliksah Koca, Ozgur Tumuklu, Michael Amitay

分类: physics.flu-dyn, eess.SY

发布日期: 2025-12-11

备注: To be presented at the 2026 Scitech Forum

💡 一句话要点

提出基于数据驱动的回溯成本优化方法，最大化S型扩散器中的压力恢复。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 数据驱动 压力恢复 S型扩散器 回溯成本优化 数值模拟

📋 核心要点

  1. S型扩散器中的压力恢复问题，传统方法难以找到最优的质量注入频率。
  2. 采用基于回溯成本优化（retrospective cost optimization）的数据驱动方法，优化质量注入频率。
  3. 数值模拟结果表明，该方法能够有效提高压力恢复，并减少扩散器内的流动再循环区域。

📝 摘要（中文）

本文研究了一种基于回溯成本优化（retrospective cost optimization）的数据驱动技术，用于优化S型扩散器中的质量注入频率，目标是最大化压力恢复。实验数据表明，在自由流质量流量的1%的注入量下，存在一个介于100 Hz和300 Hz之间的最佳注入频率。利用可压缩非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程进行高精度数值模拟，研究了不同注入速度和脉冲频率下质量注入S型扩散器所产生的平均和时间特征。将结果与实验进行比较，以验证数值解的准确性。总体而言，二维模拟与实验结果吻合较好，目前正在研究三维模拟，以评估展向不稳定性的影响。采用所提出的数据驱动技术进行仿真，结果表明，与基线情况相比，压力恢复有所提高，扩散器内的流动再循环区域有所减少。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决S型扩散器中压力恢复最大化的问题。现有的方法，例如传统的控制策略，可能难以找到最优的质量注入频率，从而限制了扩散器的性能。寻找最优注入频率是一个复杂的问题，涉及到流体动力学、控制理论以及实验验证等多个方面。

核心思路：论文的核心思路是利用数据驱动的方法，特别是回溯成本优化（retrospective cost optimization），来寻找最优的质量注入频率。这种方法通过分析历史数据，迭代地调整控制参数，从而逼近最优解。通过实验和数值模拟相结合的方式，验证了该方法的有效性。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 实验数据采集：通过实验获取不同质量注入频率下的压力恢复数据。2) 数值模拟：利用可压缩非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程进行高精度数值模拟，模拟不同注入速度和脉冲频率下的流动情况。3) 数据驱动优化：采用回溯成本优化算法，根据实验和模拟数据，迭代地调整质量注入频率，以最大化压力恢复。4) 结果验证：将数值模拟结果与实验数据进行比较，验证数值解的准确性，并评估优化后的性能。

关键创新：该论文的关键创新在于将数据驱动的回溯成本优化方法应用于S型扩散器的压力恢复问题。与传统的控制策略相比，该方法能够更有效地利用实验和模拟数据，自动地寻找最优的控制参数，从而提高扩散器的性能。

关键设计：在数值模拟方面，采用了可压缩非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程，并进行了二维和三维模拟。在数据驱动优化方面，采用了回溯成本优化算法，该算法需要设置合适的成本函数和迭代步长。实验中，质量注入的流量设置为自由流质量流量的1%，并探索了100 Hz到300 Hz之间的不同注入频率。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果表明，存在一个介于100 Hz和300 Hz之间的最佳注入频率，能够最大化压力恢复。数值模拟结果与实验数据吻合较好，验证了数值解的准确性。采用所提出的数据驱动技术进行仿真，结果表明，与基线情况相比，压力恢复有所提高，扩散器内的流动再循环区域有所减少。具体提升幅度和性能数据需要在后续的三维模拟中进一步验证。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于航空航天、汽车工程等领域，例如，可以优化飞行器进气道的设计，提高发动机的性能。此外，该方法还可以推广到其他流体控制问题中，例如，优化泵和风机的设计，提高能源利用效率。该研究具有重要的实际应用价值和潜在的未来影响。

📄 摘要（原文）

This paper investigates the application of a data-driven technique based on retrospective cost optimization to optimize the frequency of mass injection into an S-shaped diffuser, with the objective of maximizing the pressure recovery. Experimental data indicated that there is an optimal injection frequency between 100 Hz and 300 Hz with a mass flow rate of 1 percent of the free stream. High-fidelity numerical simulations using compressible unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) are conducted to investigate the mean and temporal features resulting from mass injection into an S-shaped diffuser with differing injection speeds and pulse frequencies. The results are compared with experiments to confirm the accuracy of the numerical solution. Overall, 2-D simulations are relatively in good agreement with the experiment, with 3-D simulations currently under investigation to benchmark the effect of spanwise instabilities. Simulation results with the proposed data-driven technique show improvements upon a baseline case by increasing pressure recovery and reducing the region of flow recirculation within the diffuser.