基于遗传算法多段翼型外形优化设计

为提高多段翼型增升效能,开展襟翼外形和缝道参数同时优化设计研究。优化算法采用遗传算法,以求解RANS方程为气动特性分析方法,通过椭圆方程控制生成多段翼型外形,同时优化缝宽、搭接量、襟翼偏角等位置参数和襟翼外形控制参数,实现多段翼型优化设计。设计实践表明,与只优化位置参数相比,同时优化襟翼外形和位置参数得到的多段翼型有更大的升力系数,方法是可行的,具有一定的工程应用前景。     

通用飞机富勒襟翼多目标优化

针对通用飞机高效增升装置设计的需求,提出了同时优化富勒襟翼缝道宽度、搭接量、襟翼偏角和襟翼外形的多目标优化设计方法。建立了基于椭圆方程的富勒襟翼参数化方法和RBF网格变形方法,优化算法采用快速非支配排序遗传算法(NSGAⅡ),以求解雷诺平均N-S方程为气动评估方法并采用集群分布并行计算以缩短优化时间。以GA(W)-1为基准翼型,以增加线性段(6°)和接近失速迎角(13°)升力系数为目标进行富勒襟翼优化,16计算节点下耗时约8h,获得最终Pareto前沿面,并对优化变量进行了相关性分析,相比初始构型,Pareto前沿面构型最大使迎角6°和13°升力系数增加7.03%和3.42%,说明该优化方法快速有效的。     

富勒襟翼外形的参数化建模及优化

富勒襟翼能够产生比普通单缝襟翼更大的升力增量,而且比双缝和多缝襟翼结构简单、活动部件少,更有利与气动优化,在现代民用飞机上有着越来越多的应用。本文使用二次曲线分段构造富勒襟翼的几何外形,使用SST-k-ω湍流模型对气动网格模型进行数值模拟,以此为基础优化襟翼的几何外形来提高襟翼的升力增量,并对襟翼外形优化前后的计算结果进行了分析。研究结果表明,通过优化富勒襟翼外形,可以提高襟翼头部的吸力峰值,进而提高对主翼环量诱导作用,使得两段翼型的升力系数增加。基于CFD流场显示,可以发现由于襟翼缝道流动对襟翼气流的分离起到抑制作用,因此随着两段翼型迎角的适当增加,反而可以改善襟翼上方气流的分离情况。     

襟翼缝道对多段翼型气动特性影响的实验研究

对具有襟翼不同缝道构形的多段翼型进行了翼面边界层、表面压力、尾迹速度的测量，同时作了翼面流谱观察实验。实验结果表明，襟翼缝道的不同构形对多段翼型的流动特性、增升效果和升阻特性有着强烈的影响，该研究中具有最佳优化缝道的多段翼型的最大升力系数可达3．360，它为普通缝道多段翼型对应迎角下升力系数的115％。     

基于前缘缝翼微型后缘装置的多段翼型被动流动控制

以麦道航空公司的三段增升构型为研究模型,采用剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型在C-H型多块结构网格上求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了前缘缝翼微型后缘装置(MTED)在多段翼型被动流动控制中的应用。由于MTED改变了实际的缝翼缝道参数,因此首先研究了作为主要改变量的缝道宽度对该三段翼型气动性能的影响,当缝道宽度从参考构型的2.95%c增加至3.98%c时,最大总升力系数约减小4.61%。当在不同缝道宽度基本构型上增加相同MTED时,计算结果表明它对各个翼段的影响定性一致,即前缘缝翼升力增加、主翼升力减小以及后缘襟翼升力基本不变化。这些升力变化的综合作用是:MTED构型线性段总升力系数的变化不大,失速段的变化取决于缝道宽度,当缝道宽度为3.98%c时,高度为0.50%c的MTED构型的最大总升力系数约增加6.98%。     

Gurney襟翼对多段翼型气动性能影响的数值研究

采用剪切应力输运（SST）k-ω两方程湍流模型和C-H型多块结构网格求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,结合襟翼缝道参数变化研究了不同形式的Gurney襟翼（GF）及其几何参数对多段翼型气动性能的影响,GF形式包括主翼和襟翼分别及同时增加GF。在GF绕流数值计算中对GF局部网格进行适当加密,多段翼型不同襟翼缝道参数GF构型的计算结果表明：主翼GF的影响主要取决于缝道参数,通过减小襟翼逆压梯度可以有效抑制襟翼位置并非最优时出现的流动分离,因而能够用来重新优化缝道参数;襟翼GF对基本构型的影响大致相同,升力系数和俯仰力矩系数增加明显且随GF高度非线性变化,但当其高度合适时阻力系数变化不大;主翼和襟翼同时增加GF时,在线性区域内多段翼型气动性能的变化大致为上述两种单独情形的线性迭加。     

激励方式对多段翼型升力特性影响的实验研究

缝道流动参数对多段翼型气动特性非常重要。通常采用改变翼型外形、缝道几何参数组合以及流动主／被动控制来改变缝道流动参数,提高多段翼型的气动性能。在不同的声激励方式下,通过风洞实验的方法研究多段翼型升力特性变化的规律,以探索提高增升效果的新途径。采用NF-3风洞实验,着重研究声源在模型表面的位置及排列方式对翼型升力特性影响的规律,包括单点激励、单排多点激励、多排多点激励、M型多点激励等四种不同的激励方式。结果表明：在GAW一1两段翼型的襟翼上表面加入弱声激励,翼型的升力系数有了一定变化;不同的激励方式对翼型升力系数的影响不同;在研究范围内,单点声激励使翼型的升力系数减小,M型多点声激励使翼型的升力系数少量增加。     

不同声激励方式对多段翼型升力特性的影响

缝道流动参数对多段翼型气动特性非常重要.通常采用改变翼型外形、缝道几何参数组合以及流动主/被动控制来改变缝道流动参数,提高多段翼型的气动性能.在不同的声激励方式下,通过风洞实验的方法研究多段翼型升力特性变化的规律,以探索提高增升效果的新途径.采用NF-3风洞实验,着重研究声源在模型表面的位置及排列方式对翼型升力特性影响的规律,包括单点激励、单排多点激励、多排多点激励、M型多点激励等四种不同的激励方式.结果表明:在GAW-1两段翼型的襟翼上表面加入弱声激励,翼型的升力系数有了一定变化;不同的激励方式对翼型升力系数的影响不同;在研究范围内,单点声激励使翼型的升力系数减小,M型多点声激励使翼型的升力系数少量增加.     

多段翼型大迎角下主翼、襟翼上的分离流及缝道流动

使用雷诺平均N-S方程、采用可用于较大分离区的Johnson-King紊流模型、嵌套网格和有限体积法研究大迎角下的多段翼型绕流,特别是主翼、襟翼上的分离流动及缝道流动。利用嵌合体技术对组合体每一部分生成高质量并适于高效求解的贴体网格。以具有17%相对厚度的GAW-1翼型带30%襟翼翼型为例进行了计算,计算结果与实验结果吻合很好,证实该方法可以较好地预计多段翼型上的分离流、缝道流动与最大升力。     

缝道几何构型对翼型气动特性的影响

为深入研究翼型开缝抑制翼型吸力面流动分离的被动流动控制技术，在探讨开缝依据的基础上，针对NACA4421翼型设计了7种缝道构型，并给出了缝道构型之间的几何联系，对比分析了曲线、折线及直线3种形式的缝道对翼型失速的控制效果，发现曲线缝道能够显著提高翼型的最大升力系数和失速迎角；分析了曲线缝道构型升力系数“双峰”现象的机理，提出了一种新型导流片缝道构型，该构型利用“科恩达效应”能够全面改善基准翼型的失速特性，失速迎角推迟可达14°，最大升力系数提高122%，达到2.785，可为增升装置设计提供新的思路和参考。     

分离流中多段翼型的优化计算

 本文给出带有分离流动的多段冀型的优化计算方法。以最大升力系数为目标函数,对前缘缝翼或襟翼的位置和偏角进行优化。文中对带有后缘富勒式襟翼的NLR 7301翼型和GA(W)-1翼型进行最大升力计算和优化计算,所得结果和实验值相比符合得较好。     

旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足,发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能,并建立目标函数和状态函数的Kriging模型,采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(Expected Improvement)函数最大值,更新Kriging 模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明,优化后旋翼翼型在满足约束的同时,与基准旋翼翼型OA209相比:在悬停状态下,阻力系数下降了2.1%;在机动状态下,最大升力系数提高了4.2%;在前飞状态下,阻力系数在不同马赫数下均有所减小。     

湍动能模拟内部声激励的计算研究

为了研究襟翼表面的声激励对多段翼型升力特性的影响机理,利用湍动能假设进行数值计算研究。以湍动能的量值、雷诺数以及襟翼与主翼的搭接量为参数,研究上述参数的变化对升力特性的影响,得到的结果与实验值符合良好。在多段翼型缝道处加入湍动能的影响规律是：（1）在升力特性线性段减少了升力系数,在失速点附近可以推迟分离,提高升力系数;（2）当雷诺数增加时,湍动能对升力系数的影响量减小;（3）在搭接量为零时,湍动能的影响最大。上述规律与在缝道处加入声学激励的影响规律一致,表明采用注入湍动能来类比声学激励有一定的应用价值。     

二维襟翼气动设计研究

针对某教练机的设计要求,采用切割法生成襟翼外形。通过评估后缘襟翼外形对两段翼气动特性影响,确定合适的襟翼外形方案。并利用计算手段研究缝道量和重叠量对襟翼升力系数和表面压力系数的影响规律,结果表明,其襟翼方案满足设计要求。     

大型客机柔性后缘增升装置气动机构一体化优化设计

增升装置的设计对于大型客机来说是十分重要的,柔性可变弯的增升装置是未来大型客机的发展趋势,也是当前的研究热点。以某大型宽体客机内段翼型为研究对象,在襟翼内部的柔性变弯机构的带动下,可以使襟翼的后50%部分实现柔性变弯。在原始刚性襟翼的基础上,柔性变弯后的襟翼可使襟翼后缘增加8°的偏角。之后在三维后缘铰链襟翼机构的带动下,同时襟翼内部使用柔性变弯机构,采用"前缘下垂+后缘襟翼柔性变弯+后缘简单铰链襟翼联合扰流板下偏",进行起飞和着陆构型的二维气动/机构一体化优化设计,优化出来的结果与原始不柔性变弯的翼型相比,起飞构型的最大升力系数的增加量为0.119,着陆构型的最大升力系数的增加量为0.162,且着陆最优构型推迟1°迎角失速。     

多段翼型增升小翼纳维-斯托克斯方程分析

装有扁平板增升小翼的多段翼型流场数值分析已经完成。研究的小翼装在接近主翼段后缘，高度范围是0．25％～1．25％参考翼型弦长。二维数值模拟在嵌入式结构拓扑网格上采用不可压缩纳维-斯托克斯（N-S）方程求解分析。新的网格细化提高了网格边界重叠部位的计算精度。在固定雷诺数条件下，对装有窄缝襟翼的二段翼型研究了各种小翼的影响。计算和实验结果都表明，相对未装小翼的基本翼型，主翼段凹陷处装有小翼提高了最大升力和升阻比。计算得出的流线分布揭示，正是小翼的存在引起了襟翼流场分离的减弱。也研究了三段翼型在一个雷诺数范围内的流场情况。对优化的襟翼来说，计算和实验所得的雷诺数影响结果一致。当襟翼从最有利的位置移动时，数值分析表明，小翼有助于翼型重新优化，大概能起到所优化襟翼效益的1％量级的作用。     

翼身融合布局民机克鲁格襟翼设计

翼身融合（BWB）布局是"绿色航空"发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。由于高度融合的外形特点，BWB布局难以通过应用传统增升装置实现低速增升与配平的协调设计。本文采用开缝钝头克鲁格襟翼提高BWB布局低速失速特性。首先，构建了克鲁格襟翼二维参数化方法，该方法符合克鲁格襟翼运动机构特点，可准确描述几何外形与缝道配置。其次，开展克鲁格襟翼几何参数与偏转角度的影响规律研究，分析流动形态与增升机理，提出设计原则。综合考虑外形、运动机构与遮蔽效应等设计约束，以提高增升能力为目标，开展前缘开缝克鲁格襟翼优化设计。优化设计结果满足设计约束，数值分析表明其增升能力比初始外形与经典缝翼均有明显提高。最终，采用前缘开缝克鲁格襟翼与后缘简单襟翼构建BWB增升构型，数值模拟与风洞试验结果表明，增升方案能够实现升力系数要求，降低了对配平能力的需求，减小了增升装置和高升力配平设计压力。提出的克鲁格襟翼设计方法不仅适用于BWB布局，也为传统布局民机增升装置设计提供了技术支持。     

襟翼表面粗糙度对多段翼型升力的影响

在襟翼上表面填充多孔吸声材料,虽然缝道的噪声有所降低,但翼型升力系数也有较大损失。为了确定是否因多孔材料造成翼面粗糙度增加而降低了升力系数,也为了进一步确定数值模拟中粗糙表面简化模型的适用性,通过风洞试验和数值模拟进行研究。数值模拟采用沿流向三角形凸起模拟吸声材料的粗糙度,采用ANSYS-Fluent的二维模块、非结构网格和k-ωSST湍流模型进行计算。风洞试验在某NF-3低速翼型风洞中完成,采用等弦长的二维测压模型,光滑模型表面是通过在吸声材料上覆盖光滑薄膜实现的。结果表明:可以采用沿流向三角形凸起模拟吸声材料的粗糙度对升力特性的影响;吸声材料的粗糙度影响翼型的升力系数。因此,若通过吸声材料降低缝道流动噪声,需要进一步研究吸声性能好且表面比较光滑的材料/结构。     

基于人工神经网络的缝翼凹槽填充降噪设计

缝翼凹槽填充技术作为一种缝翼降噪方法,有可能会造成气动性能的损失,如最大升力系数和失速迎角的减小。基于这种情况,针对某多段翼型建立了缝翼凹槽填充构型的数据库,挑选出参考构型,利用置信度推理确定了优化方向,生成了20个优化构型;采用back propagation(BP)人工神经网络快速预测各优化构型的气动性能,选择其中气动性能最好的构型作为设计构型进行校核计算,求解定常Navier-Stokes方程评估其气动性能与基准构型作对比,应用CFD和声类比相结合的混合方法评估其气动噪声性能并与基准构型作对比。结果表明:在保持多段翼型气动性能的同时,对于给定观测点,所设计的缝翼凹槽填充构型使得气动噪声明显降低。     

基于控制理论方法的翼型最大升力优化设计

使用控制理论方法建立了对翼型最大升力优化设计的模型.并且在给定约束力矩系数和约束翼型面积条件下对GAW-1低速高升力翼型进行了最大升力状态实例优化设计,验证了使用粘性伴随方法建立的以翼型最大升力为目标的多约束优化模型的有效性。