高性能无人机翼型的杂交优化设计

 发展了用于高性能无人机翼型设计的杂交优化设计方法。针对“类全球鹰”翼型的算例表明，该方法能满足低速时高升力（C_L）和跨声速巡航时高气动效率（C_L/C_D）两方面要求。优化翼型较初始翼型，其低速时的设计升力系数提高了19.80%，跨声速巡航时的设计升阻比提高了37.45%，并且在较大的速度区间内优化翼型都具有良好的综合性能。杂交优化设计方法可为高空长航时无人机的设计提供参考。     

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。      

高升阻比翼型的设计

使用解析形状函数法和参数化翼型表示方法,将求解绕翼型流场的N-S方程解与优化方法相结合,可设计出新的高升阻比翼型.计算结果表明,设计的新翼型满足设计要求,且获得比原始翼型高得多的升阻比,翼型设计方法是实用的.参数化翼型表示法比解析形状函数法对给定的初始翼型离散数据的准确度影响更小,更适合用于新翼型的设计.     

基于改进遗传算法的增升装置气动优化研究

针对飞机增升装置缝道参数的气动优化问题,设计并搭建了具有嵌套双循环流程的优化平台。设计过程中以敏度分析改进遗传算法,以最大升阻比为优化目标,对二维翼型30P30N进行了缝道参数优化。优化结果表明,翼型的升阻比性能获得了显著提升。该优化平台及优化方法经拓展可用于多种翼型及机翼增升装置的气动优化。     

基于Kriging模型的翼型气动性能优化设计

将基于Kriging模型的近似技术引入气动优化设计。通过计算两个测试函数的全局极值以及翼型几何形状的重构,比较了基于Kriging模型的优化方法与传统的梯度类优化方法、标准遗传算法的特点。结果表明基于近似模型的优化方法不仅全局性良好,而且有效节约了计算资源。用此方法进行了翼型的气动优化设计,目标函数为来流马赫数为0.7、攻角为3°时升阻比最大。设计结果表明,与参考翼型相比,优化翼型升阻比提高了81%,而翼型截面积减少不到1%,优化效果非常明显。     

高升力翼型的气动优化设计和实验研究

利用遗传算法进行了低雷诺数高升力翼型的气动优化设计,并利用风洞实验检查了设计的正确性。优化后的翼型其气动特性有明显改善,这说明了利用遗传算法进行低雷诺数翼型气动优化的可行性。风洞实验结果验证了优化设计方法的正确性,同时也表明新设计翼型有较高的升力系数和相对大的升阻比,其升阻比提高了10%。     

自适应翼型的气动外形优化设计

 二维翼型自适应的研究是设计自适应机翼的基础。提出了在不同 Ma数、迎角下,用 Powell法优化二维翼型前、后缘襟翼的偏转角,以获得比常规翼型在亚声速时升阻比大而在超声速时阻力系数小的自适应翼型的研究方案。并与原始翼型以及气动双目标 (亚声速时,大升阻比;超声速时,小阻力系数 )的优化翼型进行了比较,证明了自适应翼型比气动双目标的优化翼型气动效率更高。初步探讨了二维翼型前、后缘襟翼的偏转位置对气动效率的影响。     

基于变精度遗传算法的翼型快速优化设计方法

低碳环保的电动飞机在要求较高升阻比的同时,需要尽量降低成本、缩短研制周期。但高精度的数值模拟时间代价很大,因此针对电动飞机翼型设计中初始翼型较难选取、优化速度较慢的问题,提出了一种基于变精度遗传算法的翼型多点快速优化方法。以常用的 Hicks-Henne 型函数为基础,改进了其对翼型后缘描述不精确的问题。在数值模拟阶段,介绍了一种快速气动参数计算软件XFOIL,并分析了该软件的适用性与局限。之后给出了使用XFOIL 与 Matlab 进行联合求解的方法,在无人干预的情况下完全实现了翼型设计与优化的自动化,提高了设计效率。在翼型优化阶段,为保持较高的精度和寻优效率,设计了翼型参数的实数编码方法。针对传统遗传优化算法了改进,设计了染色体变精度杂交方法以及动态惩罚方法。最后,给出了基于遗传算法的多点优化方案,以及翼型多目标快速优化一体化设计方案。仿真分成两部分进行,首先改进的 Hicks-Henne 型函数能够有效实现参数化翼型的后缘夹角改变。通过与 NSGA-II 方法的优化结果对比,本文的方法在一定迭代次数范围内获得的升阻比更高,失速特性更加缓和,特别是在综合提高翼型优化效率方面表现较好。仿真结果表明,该方法能够快速获得多种工况下具有较高升阻比的翼型,也可以作为进一步优化的初始翼型,能提高翼型优化效率。     

基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化

将熵产理论引入翼型的多目标气动优化设计,通过理论推导湍流流场熵产率计算公式,进而阐述熵分析方法在翼型气动优化中的作用。通过CST参数化方法对翼型进行参数化建模,并将多目标优化算法与CFD计算耦合起来,计算翼型升阻比和流场熵产率,建立一种以最大升阻比和最小熵产率为目标的翼型优化方法,进而得到优化翼型的Pareto解,并与传统翼型优化方法进行对比。与初始种群相比,优化翼型具有更优的气动性能,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。采用多目标遗传算法得到的非支配解集分布均匀,质量较高,设计者可以根据设计需要选择具有相对低熵产的一组翼型来改善空气动力性能。结果分析表明,本文所建方法具有较强的全局收敛性,具有一定的工程应用前景。     

新型目标压力分布下的Licher双翼反设计方法研究北大核心CSCD

为了提高超声速气动构型的升阻比,减小激波阻力,使用反设计方法结合CFD技术优化Licher双翼,实际算例表明,来流马赫数1.7,无粘情况下只需迭代15步即可得到优化结果,优化后翼型波阻可减小25.5%,升阻比提高30.5%。随后依据翼型目标压力分布这一反设计关键点,分析了非零迎角下翼型各边的受力情况,指出了原目标压力分布的不足,并提出了一种新的阶梯形目标压力分布形式,该方法的优化结果可使升阻比提高49.8%。此外基于NS方程的优化结果表明,原目标压力分布的优化效果被削弱,升阻比仅能提高17%,而新目标压力分布的优化结果受到的影响较小,升阻比仍可提高49.2%,说明在考虑流动粘性特征时,阶梯形目标压力分布形式更具实用价值。     

民用飞机翼梢小翼多约束优化设计

采用Lagrange乘数优化方法,约束升力系数和机翼翼根弯矩,通过修改机翼 翼梢小翼组合体的结构外形,减小机翼的诱导阻力和形状阻力,提高机翼的展向效率和升阻比的大小。成功的实例设计结果表明,本文方法对民用飞机机翼-翼梢小翼的设计具有应用价值。     

地效翼船水橇的外形设计及水动力特性的数值模拟

地效翼船的发展过程中,必须解决一大技术性难题:起飞过程中升阻比较小,使得船身无法快速抬离水面。基于以上问题,根据船身理论、机翼设计理论和冯·卡门入水冲击理论等,设计一种应用于地效翼船的水橇,利用CATIA对水橇进行三维建模,并使用FLUENT软件对该水橇进行水动力特性的数值模拟。结果表明:水橇的升力系数和阻力系数随着攻角的增大而增大,其升阻比呈抛物线趋势,在攻角为5°左右到达最大值;相对其他来流速度,水橇在来流速度2m/s时的升力系数、阻力系数和升阻比更大。     

低速通用飞机机翼低成本精细化设计

针对低速通用飞机升阻特性的低成本精细化设计,通过合理地简化模型,建立了一种将翼型升阻比曲线斜率作为附加设计约束的机翼工程优化设计方法。基于该优化设计方法,利用低成本快速设计分析工具开展了优化设计,并对设计方法及结果进行了风洞试验验证。试验结果表明,所提方法能够有效提高机翼最大升阻比,同时使最大升阻比对应的升力系数逼近巡航工况,进一步挖掘了低速通用飞机的经济性潜力。     

前后缘型线同时可控的乘波体设计

提出了一种前后缘型线同时可控的乘波体设计方法,在马赫数可控的外锥形曲面基准流场中,结合流线追踪技术和混合函数,实现了椭圆前缘转椭圆后缘的乘波体设计,并在设计点(Ma=6.0)和接力点(Ma=4.0)对其进行数值仿真研究。前后缘同时可控的乘波体在型面剧烈过渡处产生了较弱的激波,出口两侧存在高温高压区,后部对称面附近的激波形状由圆弧变为平直线且出口处流场基本均匀,非常有利于与进气道匹配设计。另外,该乘波体具有较高的容积率和预压缩效率,附面层修正后的容积率为0.24,设计点时乘波特性较好,接力点时前部完全乘波,具有较高的升阻比,有黏条件下设计点和接力点的升阻比分别为2.54和2.41。此外,与给定前缘的乘波体相比,其升力、阻力、俯仰力矩和出口增压比都有明显增加,但是升阻比和出口总压恢复系数有所降低,在设计点无黏升阻比由3.56降为3.00。以上研究表明,本文的设计方法可行且更加灵活,拓宽了乘波体的选择范围。     

面向工程的类乘波体气动布局与数值分析

为了解决高超声速飞行器理想乘波体的工程应用问题,以粘性锥导流场为基础流场,考虑装填空间、前缘钝化、端头半径和翼舵干扰等工程实际情况,设计了一种类乘波体高超声速飞行器。采用CFD方法对该类乘波体气动性能进行了仿真与分析。结果表明:该类乘波体具有典型的乘波特征,设计状态(Ma=8,α=2°)下,升阻比为4.47;非设计状态(Ma=3,α=2°)下,升阻比不小于3.60;考虑不同高度和马赫数范围,纵向压心系数绝对值变化仅为4.2%,小的压心变化范围在满足高机动需求方面具有优势。     

高超声速乘波体扩容设计及流场快速预测

为发展一种兼具乘波体高升阻比和升力体高容积率的气动设计与预测方法,开展了3个方面的研究工作。基于升力体和乘波体融合设计理念,提出了一种大容积率、高升阻比的乘波前体的扩容设计方法。对扩容设计的乘波前体进行了数值模拟,获得了典型设计参数对前体容积率、升阻比等气动性能参数的影响规律。基于本征正交分解理论和径向基函数建立了高超声速乘波前体流场结构和气动性能参数的快速预测模型,并对扩容设计的乘波前体流场开展了快速预测研究。研究表明:相比于未扩容之前,高度为5、10 mm时,容积增加8.00%和15.00%;基于本征正交分解理论的快速预测方法可精确、快速地获得不同几何设计参数下乘波前体的流场,预测误差不高于2.00%。      

基于响应面法的某双体飞艇囊体气动外形优化

为了进一步减小阻力,提高整个飞艇的气动性能,针对某双体飞艇囊体的长宽比、宽厚比和最大截面位置三个主要外形参数,采用试验设计和响应面法相结合的方法进行了囊体气动外形优化设计,以CFD数值计算技术的结果为基础,共进行了15次试验。优化前,囊体零升阻力系数为0.029 8;优化后,其零升阻力系数为0.027 4,减小了8.76%,巡航状态升阻比增加了5.25%,整个飞艇的气动性能得以较大改善,也证实了优化模型的有效性。研究表明:基于Box-Behnken设计和响应面法的双体飞艇囊体气动外形优化设计方法,不但考虑了外形参数之间的交互作用,而且计算量相对较小,计算结果的精度和可靠度较高,可以快速准确地优选出囊体外形参数的最优组合,具备一定的工程实用价值。     

褶皱位置对蜻蜓滑翔翼气动性能的影响

改变昆虫翅膀的褶皱结构可以优化翼型的气动性能,有利于微型飞行器的气动设计。以蜻蜓翼作为参考,采用计算流体力学（CFD）的方法计算了攻角范围为0°~20°,雷诺数范围为700~2300时褶皱位于前缘、尾缘和中部位置时三种翼型的滑翔气动性能。结果表明:在不同攻角和雷诺数下,褶皱位于尾缘的翼型具有最大的升力系数和升阻比,滑翔气动性能最优;当雷诺数为1500,攻角为10°时,褶皱位于尾缘的翼型时均升力系数分别比位于前缘和中部的翼型提高了58%和82%,升阻比分别提高了49%和33%;这是由于尾缘褶皱中的涡起到了延缓前缘涡脱落的作用,使前缘涡更为集中,更贴近壁面。      

基于多级响应面法的翼梢小翼气动优化设计

 为了提高数值计算效率和准确性,提出了基于多级响应面法的确定翼梢小翼气动外形参数的一种优化方法。建立某水陆两用飞机带融合式翼梢小翼的机翼参数化模型后,先用Plackett-Burman试验设计筛选设计参数,并根据设计参数对目标函数的影响将其划分为3个等级：显著因素、次显著因素和不显著因素。为了逼近存在最大响应值的区域,用最速上升法确定95%概率水平上显著因素的设计中心点。最后用多级响应面法确定各级设计参数的最优设计点。该方法以采用计算流体力学（CFD）的计算结果为基础,选择了8个设计变量,共进行了68次试验。优化设计得到的最大升阻比为20.680 56,数值计算直接算得的最大升阻比为20.680 31,相对误差0.001%,证实了优化模型的有效性。加装小翼后,最大升阻比增加了5.62%,总阻力减少了4.13%,翼根弯矩增加了2.88%。     

地面效应下前/后掠翼气动特性研究

针对飞行器在地效区飞行时复杂的流场特性,通过求解定常可压N-S方程,改变机翼后掠角和地效区飞行高度,研究不同前/后掠角机翼在地效区内的气动特性。结果表明:在地效区内,随着后掠角的增大,机翼的升力系数和阻力系数呈现先增后减的变化规律,后掠角在0°附近时升力系数达到最大值,阻力系数在10°附近达到最大值;俯仰力矩系数随着后掠角增加而减小;展向流动在后掠角为0°时最小,展向流动随着后掠角增大或减小剧烈变化;机翼下洗角随着后掠角增大而减小,随着离地高度的减小而减小。研究结果可为地效飞行器的概念方案设计和优化提供理论依据。