CST气动外形参数化方法研究

 类别形状函数变换(CST)方法是通过类别函数和形状函数来表示几何外形的新型气动外形参数化方法。通过考察参数化过程线性系统的条件数以及对翼型的表示误差,研究了Bernstein多项式阶数(BPO)对CST方法单值性和精度的影响,并将CST方法与B样条法、Hicks-Henne法和参数化翼型(PARSEC)法的参数数量和表示精度进行了对比。使用基于CST参数化方法的远场组元(FCE)激波阻力优化方法对超声速机翼进行外形优化,优化后的机翼其激波阻力降低达61%。研究结果表明:CST方法具有参数少,精度高的优点;为保证表示精度,同时避免病态参数化过程,应使用4阶以上、10阶以下的Bernstein多项式定义形状函数。     

超声速翼身组合体激波阻力优化的EFCE算法

 超声速飞行器的横截面积分布对其激波阻力的影响十分显著,合理的机翼和机身横截面积分布可以显著降低其激波阻力。使用类别形状函数变换(CST)方法对机身进行基于横截面积分解的CST参数化外形表示,在此基础上提出了扩展的远场组元(EFCE)超声速翼身组合体激波阻力优化算法,并使用该方法对超声速客机翼身组合体进行外形优化,使其激波阻力系数降低了39%。研究结果表明:由于只进行一个方向上的面积分解,机身CST参数化所使用的参数数量和相应优化过程的计算量比机翼大幅降低;经过EFCE激波阻力优化的机身具有较为明显的面积率修形"蜂腰"特征。     

改进CST方法在翼型优化设计中的应用

形状类别函数变换(Class-Shape Transformation,CST)方法是近年来发展起来的一种新型气动外形参数化方法,该方法具有良好的鲁棒性,且涉及参数少、精度高,结果简单直观等特点,被广泛应用于翼型设计研究中。文章结合某小型无人机设计的工程实践,探讨了CST方法在小型无人机翼型设计中的应用,在借鉴他人研究成果的基础上,决定采用Bernstein多项式构建形状函数,分析了Bernstein多项式阶数对CST方法拟合精度的影响。仿真结果表明,当BPO4时,拟合精度能够达到满意的要求,可用于该型无人机翼型的设计与优化。     

基于CST-GAN的翼型参数化方法

翼型参数化方法对于翼型制造、气动和隐身等的优化设计具有非常重要的作用,为进一步提高参数化方法的表示能力,避免在优化过程中产生奇异外形进而提升翼型优化设计效率,结合外形控制能力更加灵活的类别形状函数变换方法（CST）及能够学习数据潜在分布的生成对抗网络模型（GAN）,基于现有翼型数据库构建了一种新型翼型参数化方法：CST-GAN。通过考察生成翼型的几何质量及其表示误差,研究设计维度对CST-GAN翼型参数化的影响,并与Bezier、B样条及主成分分析（PCA）方法的表示精度进行了对比,最后基于该方法开展翼型优化设计。结果表明,该方法可以生成光滑、有效的几何外形,并能实现对翼型较为精确的描述。与其他几种常用参数化方法相比,CST-GAN方法具有较快的优化收敛速度和较好的优化效果,有助于改善优化效率,节约计算成本。此外,该方法鲁棒性强、易于实现,有拓展至三维机翼及整机的参数化建模并进行气动优化设计的应用潜力。     

基于参数敏感性分析的反设计方法

在基于类别形状函数变换(CST)的反设计方法中,通过考察CST参数化与反设计过程,完成了基于参数敏感性分析的反设计,实现了翼型的快速、准确反设计;研究了Bernstein多项式阶数进化对反设计过程敏感性的影响。研究结果表明,在亚音速状态下,采用反设计方法能使设计压力分布较好逼近目标压力分布;在跨音速状态出现激波时或在计算过程出现迭代发散时,加入阶数进化手段后的敏感性分析方法能改善激波区域的敏感度,使迭代较好收敛。方法能够反映各种光滑翼型压力残差和翼型几何外形改变的关系,在给定状态下用初始翼型快速且比较准确地拟合目标翼型。     

小型无人机翼型优化设计

采用类别形状函数变换（CST）方法对翼型参数化描述;利用Fluent软件,进行翼型升力系数和阻力系数的气动计算;以升阻比最大为优化目标,通过拉丁超立方设计生成样本点,建立了径向基神经网络（RBF）代理模型;使用粒子群优化算法（PSO）,在Isight平台上,实现对Clark Y翼型优化的整个过程。优化翼型升阻比比原始翼型提高了约10%,表明此种方法是可行的,可用于小型无人机设计的工程中。     

基于改进CST参数化方法和转捩模型的翼型优化设计

为提高翼型优化设计效率,增大设计空间,采用B样条基函数替代传统的形状类别函数(CST)方法中的Bezier多项式,增强了对翼型参数化表达的局部控制能力并提高了翼型局部表达精度。为了确保翼型在优化设计过程中的几何光顺特性和代理模型的准确性,采用小波分解技术提出了多分辨率翼型的局部光顺方法。采用基于本征正交分解(POD)的流场数值代理模型,并结合γ-Reθt转捩模型实现了快速准确的气动力与流动转捩预测。采用小波技术光顺的CST翼型参数化建模、POD流场数值计算代理模型以及γ-Reθt转捩模型,结合遗传算法建立了完整的翼型气动优化设计系统。针对低速层流翼型与超临界翼型进行优化设计,优化设计后的翼型升阻比分别提高了47.42%和45.85%,且对改进前后参数化建模方法的优化性能进行了对比,结果表明本文构建的翼型气动优化设计系统具备很高的优化效率。     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。     

基于CST方法的吸附式压气机叶型及抽吸方案耦合优化设计

为了探索吸附式叶型设计特点,研究了一种将类别形状函数变换法(CST)方法和人工蜂群算法相结合,利用2D程序作为流场求解器,对吸附式叶型和抽吸方案进行耦合优化设计的新型吸附式压气机叶型设计方法,并且详细论证了CST方法用于吸附式叶型优化设计的可行性。研究结果表明:耦合优化设计之后在保证叶型强度未下降的基础上总压损失降低了65%,气流转折角增加了3°,气动性能得到较大的提升。针对所优化的进口高亚声速的吸附式叶型,通过适当改变叶型前缘处的型面,可以较好地控制气流马赫数,避免产生激波,从而防止附面层厚度增加,降低叶型损失。     

基于CATIA二次开发的机翼模型的快速生成及其应用

针对机翼模型的快速生成以及如何提高建模、变换、有限元分析、优化综合流程效率的问题,通过对基于形状函数/分类函数变换(Class function/Shape function Transformation,CST)的翼型参数化描述方法和机翼平面参数化描述方法的研究,结合CATIA二次开发技术在VB环境下,采用VB语言编程,完成了机翼参数化CAD模型生成系统的开发,同时通过具体实例验证了此系统所生成的CATIA三维模型在MSC.Nastran中做有限元分析的可行性。此实例表明,采用此系统很大程度上提高了机翼建模效率,并为机翼优化提供了便捷的建模及模型修改途径。     

基于多输出高斯过程的超临界翼型优化

提出了一种基于多输出高斯过程(MOGP)回归模型和模拟退火算法相结合的翼型优化方法。采用拉丁超立方抽样方法在设计空间内构造一系列样本点,其中优化设计采用CST参数化方法对翼型的几何外形进行参数化表示。通过CFD流体计算得到其响应值来建立初始的MOGP代理模型。以阻力最小化为设计目标,考虑面积、升力等约束条件。通过单点优化和多点优化试验表明,发展的翼型优化设计方法达到了优化设计的目的,同时也说明基于MOGP模型的优化设计方法在气动优化设计中的应用是可行的。     

考虑发动机干扰的尾吊布局后体气动优化设计

针对尾吊布局飞机考虑发动机干扰的机身后体减阻优化设计问题,建立了适用于复杂构型的气动外形优化设计系统。该优化设计系统采用了自由形变(FFD)参数化方法和基于紧支函数的径向基函数(RBF)动网格技术、计算流体力学(CFD)技术、Kriging代理模型以及改进的微分进化算法。利用该系统对机身后体进行了减阻优化设计,总阻力减小了2.67%。流场分析显示,阻力减小得益于优化后改变了机身后体与短舱之间流管的形状,减小了与挂架产生的不利干扰,消除了流动分离,削弱了激波强度。优化结果表明,针对尾吊布局飞机后体减阻优化设计问题,所建立的优化设计系统具有较好的实用性。     

基于高斯过程回归和遗传算法的翼型优化设计

针对高升阻比风力机翼型前缘曲率半径较大的问题,传统的翼型参数化方法前缘控制能力不足,且基于面元法XFOIL预测精度差的问题,利用增强类函数/形函数转换（CST）参数化方法控制翼型的形状变化、拉丁超立方实验设计、计算流体力学（CFD）流场计算模块、高斯过程回归模型和遗传算法,提出了基于高可信度Reynolds average Navier-Stocks（RANS）和高斯回归模型辅助遗传算法的翼型优化设计方法。结果表明:基于高斯回归模型的翼型优化方法,可以将优化所用CFD计算次数降低一阶,从而大幅度提升优化设计效率。由标准算例超临界翼型RAE2822的降阻设计表明,在百次量级的CFD次数阻力降低43.16%,激波被削弱且升力、力矩和面积严格满足约束。由风力机翼型NACA64618的最大化升阻比优化设计表明,所设计翼型不仅在设计攻角和副设计攻角处升阻比大大增加,在整个小攻角范围内其气动性能都得到了提升,且两个主设计点,无不良阻力的产生。      

工程翼型气动特性数据挖掘与建模

以伊利诺伊大学香槟分校UIUC的工程翼型库为研究对象,首先通过几何数据直接对比以及基于型函数/类函数变换(CST)的参数化方法实现了重复翼型和数据异常翼型的清洗;接着,对CST参数的取值分布规律进行分析发现其近似呈正态分布,对CST参数之间的关联规律进行挖掘得到翼型参数之间的相关性,并对CST参数进行聚类分析,其结果基本与工程翼型的分类一致;进一步,采用级差分析方法、SOM自组织映射方法和Apriori方法分析了CST参数与典型工况翼型气动特性之间的关系.其中,级差分析方法给出了各CST参数对气动特性影响的显著程度,SOM和Apriori方法则分析了CST参数和气动特性之间的相关性;最后,分别使用支持向量机(SVM)和深度神经网络(DNN)构建了CST参数与典型工况下气动特性之间的预测模型,在拟合和泛化能力方面,深度神经网络模型明显优于SVM模型.本文所得到的数据挖掘及建模结果可为工程翼型气动特性分析与设计提供支撑.     

现代超临界翼型设计及其风洞试验

开展了现代超临界翼型的设计研究,对现役飞机的压力分布形态进行了分析,针对现役飞机在巡航状态和阻力发散点的压力分布进行对比,提取了现役飞机超临界剖面设计的要点。采用类函数/型函数变换(CST)参数化方法、基于二阶震荡及自然选择的随机权重混合粒子群算法(RwSecSelPSO)、雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程、Kriging代理模型结合定期望值型的目标函数建立了优化设计系统。针对提高阻力发散马赫数和降低巡航低头力矩的设计指标,利用优化设计系统通过调整目标期望值设计了一系列满足设计指标但阻力发散马赫数不同的超临界翼型,并选择了其中具有典型特性的翼型进行了对比分析,验证了提高阻力发散马赫数和低速失速特性的设计方法,指出了在阻力发散点形成平顶形压力分布的超临界翼型具有较好的综合性能。对设计的超临界翼型进行了高、低速风洞试验验证,试验结果表明:设计结果达到了设计指标要求,提出的低速改进方案有效,层流对超临界翼型失速特性影响较大。     

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。     

基于NURBS和梯度法的飞艇形状优化

采用非一致有理样条曲线(NURBS)作为飞艇外形参数化方法、基于梯度的优化方法、飞艇体积作为约束条件、飞艇的阻力系数作为目标函数的优化流程对平流层流动条件下的飞艇外形进行了优化.阻力系数通过求解二维黏性不可压缩流场获得,阻力不但包含了形状阻力也包括了黏性阻力.优化过程以LOTTE飞艇的形状为初始形状,优化的结果表明优化后飞艇的气动性能明显改善,阻力系数有了比较明显的降低.优化的结果也同时证明了该方法适用于飞艇的优化命题.      

基于任意空间属性FFD技术的融合式翼稍小翼稳健型气动优化设计

 以非均匀有理B样条基函数为空间控制体属性,建立了任意空间形状自由变形(FFD)技术参数化方法。所建立的气动外形参数化系统通过FFD控制体的分布以及控制顶点的合理选取,能够对任意复杂外形进行参数化设计。首先采用FFD控制体对某型客机翼稍小翼进行空间属性构建;然后结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式,采用分群粒子群算法以及误差反向传播训练算法(BP)神经网络进行稳健型气动优化系统的构建;最后对某型客机融合式翼稍小翼的后掠角、倾斜角和高度等参数进行稳健型气动优化设计,分析对比了优化前后翼梢小翼表面压力云图、截面压力分布及载荷分布。优化设计结果表明:设计后的翼稍小翼的升阻比与阻力发散特性明显提高。     

基于CST参数化方法气动优化设计研究

翼型及机翼优化设计中,设计变量的个数对优化算法的收敛速度及代理模型的精度有很大的影响.因此,在精确描述翼型的同时,发展较少设计变量的翼型参数化方法对翼型优化设计有着重要的意义.本文基于CST(class function/shape function transformation)翼型参数化方法对Kriging模型的预测精度进行研究,并采用改进的粒子群优化算法构建气动优化设计系统.某亚声速机翼单点减阻设计及超临界翼型的稳健性设计表明该系统具有较高的设计质量,方法可靠,有较高的工程应用前景.     

自然层流机翼气动外形优化研究

层流技术在飞行器尤其是民用客机减阻方面具有较好的应用潜力。采用全速势方程(TRANAIR)、序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)优化算法及自适应笛卡尔网格技术,用两种不同的参数化建模方法,类函数/型函数变换(Class function/Shape function Transformation,CST)和非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)方法,对某自然层流机翼进行了多点优化设计,设计点为:C_L=0.45(M:0.735,0.755,0.765,0.775),C_L=0.50(M:0.755),约束条件为:升力、俯仰力矩和翼型20%、80%及最大厚度不得低于初值。优化结果表明:虽然CST方法在翼型描述上具有先天优势,NURBS方法更多用于三维曲面,而对于文中自然层流机翼算例,NURBS的优化效果更好;在C_L=0.45(M:0.755)状态下,优化后上翼面转捩位置明显后移,层流区域变广,总阻力减小了4.5%;采用的优化方法在进行五点优化时仍然具有较高的计算效率,具有较强的工程实用能力。