基于FFD技术的大型运输机上翘后体气动优化设计

利用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由变形(FFD)参数化方法,进一步结合无限插值(TFI)变形网格技术、二阶振荡粒子群优化(PSO)算法以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术,构建了通用的气动外形优化设计系统.采用该系统对C17运输机上翘后体进行气动优化设计,在满足后体最大宽度、高度以及上翘角不减小的情况下,巡航状态减阻2.6％,压差阻力减小19.8％.流态分析显示,优化后体阻力减小的主要原因是后体截面近圆度的增加以及近圆度沿机身轴线的变化量的减小使得后体周向逆压梯度减小所致.研究结果表明本文建立的基于FFD技术的气动优化设计系统对于大型运输机上翘后体的气动优化设计具有较好的实用性.     

机身后体装置对阻力的影响

1.引言 切尾运输机的机身后体阻力在总阻力中所占的比例仅次于表面摩阻及诱导阻力。机身后体附近的绕流不仅影响飞机的阻力,而且对空中投放及空中加油也有很大的影响。过去的研究得出底部附加隔板(减阻片)可起到减阻作用。现除了对减阻片的几何尺寸和安装位置需进行优化外,还需探索平尾上附加隔板以及后体台阶的减阻效果,以扩展减阻方案。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

考虑机翼尾流影响的运输类飞机后体气动外形优化设计（英文）

在某典型运输机翼身组合体的构型上,进行了考虑机翼尾流影响的机身后体气动外形优化设计研究。基于翼身组合体构型建立了考虑尾流影响和部分工程约束的优化设计系统,并对后体构型在巡航状态下进行了优化设计。以比较适合描述后体变形的NURBS样条基函数为空间控制体属性引入FFD自由变形技术,通过在FFD控制框架对该运输机后体进行了空间属性构建。采用无限差值动网格技术提高空间网格的更新效率并保证网格质量。利用改进Kriging代理模型、量子粒子群优化算法提高优化效率和全局寻优能力。为减小巡航阻力,对某运输机后体的上翘角、截面形状等参数进行了优化设计,优化结果显示,设计后的机身气动特性明显提高。     

多区域自由变形技术在短舱安装位置减阻设计中的应用研究

为了进行短舱安装位置参数的减阻优化设计研究,首先在NURBS样条基函数的基础上建立了多区域自由变形(FFD)技术,通过对FFD控制体框架边界条件的合理选取建立组合框架,实现了多个控制框架对复杂外形不同区域的自由变形参数化,采用多个控制框架的空间控制体对某型客机短舱安装位置进行减阻优化设计。试验设计取样之后应用随机权重粒子群算法和Kriging代理模型建立气动外形优化系统,对某型客机短舱水平位置和水平安装角进行气动优化设计。优化设计结果表明,设计后的短舱位置使得整个飞机在一定攻角范围内的阻力显著减小,从而证明了基于多区域自由变形技术建立的优化设计系统是合理和实用的。     

下单翼布局飞机不同整流减阻特性研究

下单翼常规布局飞机的机翼机身结合处存在严重的相互干扰,该处的附面层堆积是造成气流分离的主要原因,分离会致使飞机的阻力增加。通过整流将机翼机身结合处的附面层外推,在远前方来流的作用下吹除,通过减小附面层厚度减小阻力;对比分析三种不同整流方案的特点,并进行数值分析。结果表明:本文的三种整流减阻方案能够达到整流减阻的效果,改善了气动性能,可为下单翼常规布局飞机整流减阻提供参考。     

动力干扰下宽体客机机翼多目标优化设计

在机翼/机身/吊挂/动力短舱（WBPN）构型中开展了宽体客机机翼外形多目标优化设计。通过对动力短舱流场的动量积分，分析了直接用壁面积分"阻力"作为机体外形减阻优化设计目标函数的合理性。计算研究了短舱/吊挂的安装，以及发动机喷流对翼吊布局宽体客机机翼的干扰作用，展示了同时在安装效应和喷流干扰下设计机翼外形的重要性。运行搭建于超级计算机上的优化系统，求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程计算流场，实现了动力干扰下机翼外形的三点三目标优化设计。在80 h内，完成了近20 000个方案的计算评估，遗传优化近40代。所选的最优方案阻力发散性能明显提高，自动优化后的人工修形设计使机翼剖面展向过渡和压力分布形态更为理想。动力构型下取得的减阻效果，在通气短舱构型下亦得到验证和确认。     

带短舱翼-身构形的机身形状最优化

提出一种将计算流体动力学代码和使阻力减至最小的技术相结合的气动设计工具．并应用于马赫数为1．7的缩比超音速试验飞机的机身形状优化。机体/短舱需要综合考虑。优化机身与由线性理论设计的常规轴对称面积律的机身比较。结果表明使用这种用最优化设计工具的一种非轴对称机身设计对于减小压差阻力是有效，尤其是在机体和吊架之间产生强干扰阻力的飞机的设计中。     

飞机和发动机干扰流场的计算研究

飞机装上发动机后,发动机和飞机之间就存在着相互干扰,无论是翼吊布局还是尾吊布局,其干扰流场都是非常复杂的.对于它的数值计算一直是CFD(计算流体力学)研究重点之一.上海飞机研究所在"七五"、"八五"民机气动预研期间和当前的"超临界机翼设计技术完善"、"民机后体优化设计技术研究"课题中,都投入了人力和物力进行这方面的软件引进开发并用于型号的方案设计.本文将对这方面的工作进行总结介绍.     

翼吊短舱构型运输机排气系统干扰阻力确定方法研究

在飞机/发动机一体化设计过程中,发动机内/外涵道排气尾流在内涵道中心尾锥、吊挂及相近的机翼机身表面形成的阻力为排气系统干扰阻力,该阻力对升阻极曲线的修正至关重要。然而,国内飞机/发动机设计部门对该阻力的确定方法都没有予以明确考虑,为了解决该问题,本文以某翼吊短舱构型运输机为研究对象,根据前期飞行试验结果,开展了不同飞行高度、不同飞行马赫数及不同排气系统状态下的数值计算,建立了排气系统阻力增量的确定方法。结果表明,飞行马赫数及发动机状态改变会引起短舱后体及吊挂作用力的明显变化,机翼与机身作用力增量的改变为相对小量,飞行高度对相关阻力系数没有影响。     

亚声速飞机阻力源及减阻措施研究

为了降低亚声速飞机的阻力,提升运行的经济性,选择某一典型亚声速飞机为研究对象,分析了其阻力产生的原因及分类,提出了针对不同阻力源的减阻措施。数值研究结果表明,通过在机身后体加装涡流发生器能够减小摩擦阻力;加装侧鳍能够显著减小压差阻力,改善大迎角性能;使用拐折式翼梢小翼能够进一步减小诱导阻力。     

基于弹性体变形方法的多鼓包技术在飞翼无人机耦合进排气上减阻

为进一步提升飞翼布局无人机耦合进排气系统的气动性能,针对进排气附近翼面上多鼓包开展了减阻特性与优化设计研究。基于弹性体变形思想的FFD(Free-Form Deformation,自由变形)方法,对飞翼无人机多鼓包进行有效的参数化,并构建了网格自动生成方法;结合γ-e_(θt)转捩模型进行CFD数值模拟,利用RBF代理模型及多岛遗传算法进行多鼓包优化设计。结果表明:基于FFD方法的多鼓包技术设计变量较少,优化效率高;优化后推荐鼓包构型第一个为凹鼓包,后两个为凸鼓包;多鼓包优化模型具有显著的减阻效果,迎角6°下减阻量可达6.2%,随着迎角增大,减阻效果由摩擦阻力减小为主转为压差阻力减小占据主导。     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

翼吊布局民用飞机发动机安装设计

引言 传统的民用飞机发动机的安装一般采用两种布局形式：翼吊布局和尾吊布局。对比这两种发动机的安装形式,翼吊布局具有发动机短舱进气口不容易受机身或机翼尾流的干扰（发动机来流直接,不受飞机其他部件干扰,进气流场好）、发动机维护方便、更轻的机翼和机身结构,以及整个飞机的重量分布更合理等优点。     

轻型战斗机的气动外形优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型,并把它与工程估算的气动分析方法相结合,进行轻型战斗机的气动外形优化设计。优化设计变量取为机翼、机身的尾翼的外形及三者之间的相对位置,优化目标是使飞机在跨音速巡航阶段获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的,可用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

直接操作FFD技术在翼型气动优化设计中的应用

几何外形参数化技术在飞行器的气动外形优化设计以及多学科优化设计中是影响其结果和效率的重要因素之一。针对自由变形技术(FFD)无法直接操纵几何外形表面指定点位移的局限性,开展了直接操作FFD技术在翼型参数化及翼型气动优化设计中的应用研究。建立了由翼型表面控制点的位移反求各个FFD控制点位移的求解模式,有效地降低了高阶FFD控制体进行翼型参数化的参数个数,并且具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性。运用该技术对于跨音速翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力。     

大型飞机后体流动控制及减阻机理研究

通过数值模拟方法研究了大型飞机机身后体的流动特征和机理,并采用涡流发生器对机身后体流动分离进行控制,分析了其控制减阻的机理,讨论了不同参数对减阻效率的影响。计算结果表明:大型飞机机身后体流动分离是导致巡航阻力增加的一个重要因素;在后体底部附近安装涡流发生器,当来流迎角为负时减阻效果较明显,随着迎角的逐渐增大,减阻效果降低;涡流发生器的尺寸、周向距离、安装在机身后体上的前后位置、安装角度等参数对减阻效果具有显著影响。     

载重飞机总体参数的多目标优化设计方法

利用遗传算法进行了低雷诺数下全机气动布局设计及优化,并制作原理样机以检查设计的可行性及正确性.主要优化对总体外形和飞机性能影响较大的机翼、尾翼的平面形状几何参数以及少数几个机身几何参数;优化目标是巡航段最大升阻比和空机重量.试验结果表明该优化设计方法是十分有效的,可以用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计.     

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

基于伴随方程和自由变形技术的跨声速机翼气动设计方法研究

将连续伴随方程法与自由变形技术(Free Form Deform-FFD)相结合开展了跨声速机翼气动外形优化设计方法研究。采用Bernstein基函数建立了空间FFD参数化方法,并应用基于控制理论的连续伴随方程方法建立了目标函数对于待优化几何外形的梯度求解模式,将几何外形参数化方法、连续伴随方法以及CFD数值模拟技术相结合,研究、构建了适合跨声速机翼的气动外形优化设计系统。利用该系统对ONERA M6机翼及某型民用客机机翼进行了气动减阻设计,算例验证表明该方法应用于跨声速机翼气动减阻设计效果明显,并且能较好的保持几何表面连续性和光滑性。