基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。      

飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究

基于自主研发的大规模并行结构化网格雷诺平均Navier-Stokes（RANS）求解器PMB3D以及流固耦合代码FSC3D建立了飞行器静气动弹性数值模拟技术,进一步基于并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了Navier-Stokes方程与结构动力学方程耦合离散伴随的推导、构造。对各个学科伴随变量进行延迟处理,进行耦合伴随系统的解耦,学科之间的影响通过右端强迫项的形式在方程中体现,通过松耦合形式进行各个学科方程右端项数据传递,各个学科的伴随方程一定程度上能够相对独立,进一步实现了基于LDLT方法的结构伴随方程的高效求解;对典型客机柔性机翼进行梯度信息求解,并与考虑气动弹性影响的差分结果进行对比分析。数值模拟结果表明,延迟耦合伴随形式更有利于保持原有程序结构形式以及程序模块化,梯度计算精度完全满足优化设计需要,能够为柔性机翼飞行器气动/结构多学科优化设计提供研究基础与技术平台。     

通用飞行器气动优化设计数字化集成平台——DIPasda

未来航空工业的发展,需要解决多学科综合设计的关键问题,为新型高性能飞行器的设计提供有力的设计方法和设计工具。DIPasda作为复杂外形设计的通用飞行器多学科优化设计平台,研制目的主要是提供一套新型通用、鲁棒、高效的优化设计架构,应用于通用飞行器工业设计环境,改善传统设计耗时低效的状况,提高新型飞行器设计的效率和精度。DIPasda平台系统包含了优化设计过程中所需用到的各类方法,主要包括数值优化算法、几何模型参数化方法、代理模型方法、高精度的学科分析工具等。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块、伴随优化设计和多目标优化设计流程,展现了DIPasda平台系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。最后通过优化算例展示了系统的综合优化设计能力。     

基于图卷积的三维气动外形伴随优化设计

基于梯度的优化算法,特别是离散伴随方法,因其计算成本独立于设计变量维度而在气动外形优化中广泛应用。然而,伴随方程的求解计算量几乎与流场求解相当,减轻这一计算成本至关重要。为此,本文提出了一种基于图卷积神经网络的三维气动外形伴随优化方法：通过构建不同机翼的流场-优化梯度数据库,发展了一个基于图卷积神经网络的优化梯度预测模型来替代传统的离散伴随方程求解过程。得益于该模型优秀的拓扑结构聚合和空间特征提取能力,其预测精度可达近10⁻⁵。将所提方法应用于ONERA M6机翼在气动及几何约束下的气动外形优化,与传统的离散伴随方法相比,节省了约76.2%的时间成本,显著提升了优化效率。该方法为高效、高精度的气动外形优化提供了新的技术途径。     

MAV气动外形优化设计

针对微型飞行器的特点,抽象出其气动模型和飞行性能模型。采用单学科优化和多学科优化相结合的方法对常规气动布局进行了气动外形优化,并比较分析了单、多学科的优化结果,得出重要结论。     

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以\"协和\"号和\"图144\"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术（声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术）,并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点,完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计,给设计师提供有力参考,因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先,以大型民用客机为背景,总结了民机气动设计中的关键科学问题,指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性,并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后,分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展,其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后,对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼,对未来发展趋势进行了展望与建议。     

离散伴随方法在气动优化设计中的应用

针对工程问题中大规模设计变量难以进行快速优化的难题,在自研流场解算器(WiseCFD-UG)基础之上,发展了基于离散伴随方法的梯度计算模块,实现了目标函数对大规模设计变量的快速精确梯度求解.此外,结合FFD参数化、线弹性体网格变形,优化算法等模块建立了气动优化设计系统.运用系统对M6机翼和CRM翼身组合体构型进行定升减阻优化设计,结果表明:机翼表面的压力分布得到了显著改善,表面激波得到不同程度的消除或减弱.气动优化设计系统有效可靠,具有一定的工程应用价值.     

大型民用飞机气动外形典型综合设计方法

基于自主研发的飞行器气动外形大规模并行化、分布式综合设计软件AMDEsign,开展了大型民用飞机气动外形多目标综合设计,研究了处理高维目标空间多目标优化问题的有效处理方式,为优化数学模型的合理确定提供数据参考。在此基础之上,基于软件AMDEsign的主分量分析（PCA）、离散伴随方法两个典型模块,对宽体飞机数字化模型开展多目标优化,其中离散伴随方法中引入虚拟可行解集逼近方法,为权系数提供有效的导向性选择;并进一步将结果进行多目标评估分析,设计结果表明,主分量分析能够有效识别目标函数的相关性,虚拟可行解集方法效率较高,充分利用了离散伴随效率高以及导向性权函数预测等优点,多点设计外形在巡航升阻比、抖振特性以及阻力发散等性能上具有明显改善。文中提出的综合设计方法简捷高效且具有较强的工程应用价值。     

兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化

发展气动/声爆伴随优化设计方法对于研制新一代超声速客机具有重大意义。典型的气动/声爆伴随优化设计方法分为两种：近场信号的伴随优化和远场声爆预测耦合伴随设计优化。将最新发展的基于离散伴随理论的近场声爆信号反设计与气动特性优化结合,提出兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化策略。首先,概述了伴随方程梯度求解和提出的基于信号射线方法的近场过压提取及目标过压装配过程,并验证了优化流程中近场信号及地面波形预测的准确性。其次,针对超声速民机标模,开展了低阻优化、近场低声爆反设计、兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化三种策略的对比研究,结果表明兼顾气动和近场声爆特性优化策略的伴随优化在综合提升气动和低声爆特性上表现更优。最后与文献中相同算例的优化结果进行对比分析,进一步证明了该优化策略在超声速民机设计中的应用潜力。     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例,对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证,以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性,提出了\"包围盒\"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定,基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序,为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换,并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则,简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录,实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配,将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外,对小型超声速公务机开展了声爆优化,对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

超声速民机低阻低声爆布局设计与优化方法研究

超声速客机是未来民机发展的重要方向之一。针对超声速民机布局快速设计与优化问题,采用欧拉方程加边界层修正的中等精度求解器搭建考虑跨声速与超声速双段巡航的跨速域快速气动优化框架。使用该框架对基准构型进行优化,在双速域Pareto解集中选取布局优化结果,并在此基础上对翼身组合体在超声速工况下进行了基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程（Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS）的高精度低阻伴随优化。优化结果表明,相较于基准构型,在Ma = 0.9下阻力系数减小43.4 counts,Ma = 1.8下阻力系数减少了54.1 counts。为了解决超声速民机在低阻与低声爆性能间的多学科设计权衡问题,采用射线追踪法和基于广义Burgers方程的数值预测方法对近场声爆信号进行传播,对地面波形采用Stevens发展的Mark Ⅶ准则计算地面声爆感觉声压级（PLdB）,搭建了综合考虑气动性能和不同周向角声爆信号的多学科优化框架,实现了低阻低声爆优化设计。优化结果表明,相较于基准构型,经多学科优化后的外形在阻力性能与声爆特性上均有所改善,其中Ma = 0.9下阻力系数降低30.6 counts;Ma = 1.8下阻力系数降低了50.3 counts,地面声爆感觉声压级平均降低4.84 PLdB。     

低声爆超声速飞机气动布局技术研究进展

超声速飞机气动布局对声爆强度具有重要影响,而低声爆气动布局是新一代超声速民用飞机的关键,因此低声爆气动布局得到了广泛研究。本文在系统调研声爆抑制技术的基础上,介绍了国外降低超声速飞机声爆的六种主要气动方法,包括优化飞机体积与升力分布,改变机翼掠角,利用机翼上反角,采用长细机身,采用抑波锥,机翼上方安装发动机;总结并分析了低声爆超声速飞机的四种主要气动布局形式,根据当前低声爆超声速飞机布局形式得出三角翼布局是下一代环保型超声速客机的主要气动布局形式;展望了低声爆超声速飞机气动布局技术的未来发展趋势。     

新一代超声速客机总体气动技术挑战与展望

超声速客机能够在航线上长时间以高于声速的速度飞行;可将亚声速客机执飞远距离航班的飞行时间缩短50%以上;有效改善旅程舒适性。因而;绿色高效的超声速客机再次成为民用航空领域的研究热点。简要回顾了超声速客机的发展历程;重点综述了超声速客机投入运营亟待解决的总体气动方面的技术挑战;包括多学科设计优化技术、飞发一体化设计技术、外部视景融合式驾驶舱设计技术、低声爆设计技术、声爆抑制技术、超声速巡航减阻技术、声爆风洞试验技术;探讨了超声速客机关键技术的发展方向。     

飞行器多学科耦合伴随体系的现状与发展趋势综述

多学科耦合伴随方法具有多学科耦合灵敏度计算量与各个学科设计变量个数均基本无关等优点,是一个值得关注的发展方向。面向气动、电磁、声学、结构、红外等与飞行器设计息息相关的学科,针对多学科耦合伴随方法的优势、现状、难点以及未来发展趋势开展研究与论述,系统性地分析了单一学科、多学科伴随方法的核心内容、关键技术与发展现状,对边界条件处理、交叉学科雅克比推导以及大型稀疏矩阵存储处理、求解等关键技术进行系统讨论,针对典型的关键环节和基础科学问题,给出了研究思路与解决方案,并进一步展望了多学科耦合伴随理论与应用发展趋势。希望能够为从事多学科伴随优化方法与应用的研究人员提供有意义的参考,促进多学科耦合灵敏度这一基础科学问题以及基于高保真度分析手段的多学科优化（MDO）技术的发展。     

基于气动/轨迹/控制耦合的飞/发一体高超声速飞机气动外形优化设计

针对吸气式高超声速飞机飞/发一体布局面临的多学科耦合问题;提出了一种基于飞行任务需求、考虑气动/轨迹/控制等学科的内外嵌套2层多学科优化设计方法。首先;以航程或航时等飞行性能为优化目标、飞行可控为约束、SQP为优化算法建立了外层飞行器外形参数优化方法。其次;采用RANS方法对选定外形开展气动特性评估;并基于所得气动数据建立了几何参数到气动特性的映射模型。随后;在基准动力数据（初始构型动力数据）的基础上;建立了考虑前体参数及尾喷管参数影响的冲压发动机推力模型。然后;以与外层相同的性能目标为优化目标、飞行可控为约束;选用直接打靶法、SQP算法分别作为轨迹离散策略与优化算法;建立了内层轨迹优化方法。最后;将内、外层优化相结合;并通过采用自抗扰控制技术开展飞行轨迹可控性评估;实现了适用于飞/发一体高超声速飞行器的内外嵌套2层多学科优化设计方法。以类SR-72高超声速飞机为对象;针对典型前体/进气道一体化参数和后体/尾喷管一体化参数;开展了以航程最优为目标的优化设计。优化结果表明:在整个飞行任务中;优化设计外形在初始外形基础上最大航程增大了28.98%;性能得到显著提升;验证了所提出的气动/轨迹/控制多学科优化设计方法的有效性。     

声爆产生、传播和抑制机理研究进展

超声速民机能够显著提升航空运输效率,已成为未来民机发展的重要方向和必然趋势。然而,超声速飞行引起的声爆一直是制约超声速民机能否成功投入商业运营的核心瓶颈问题之一。以发展新一代环保型低声爆超声速民机为背景,综述了国内外在声爆产生、传播和抑制机理领域的现状和最新研究进展。首先,介绍了描述声爆产生的理论以及相关物理解释,总结了声爆形成的两大主要因素：体积效应和升力效应。其次,综述了大气效应作用下声爆传播机理的研究进展和趋势,论述了影响传播的大气介观湍流效应和微观吸收效应两个重要因素。之后,介绍了传播过程中减少激波汇聚、合理调整升力大小或分布及增加有效长度、利用激波折射与相互干扰等3类声爆抑制机理的研究进展。最后,探讨了在声爆产生、传播和抑制机理研究方面所面临的挑战,并给出了未来研究方向的建议。     

超声速飞行器近场声爆信号反演技术

超声速民机是新一代民机的重要发展方向,其独有的声爆现象是制约其在陆地上空进行超声速飞行的最关键因素。对超声速飞行器的气动外形进行反设计是声爆抑制的有效途径。基于等效面积分布开展反设计,需要远场感知声压级作为直接指导。为此,提出了逆向传播分别与本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）及伴随方程结合,根据远场声爆信号反演近场声爆信号的方法。采用第二届声爆会议（SBPW）提供的LM1021标模算例,并从远场频域内声压级、响度级和感觉噪声级进行反演可信度评估。结果表明,对于给定的任意远场声爆信号,基于逆向传播结果进行POD反演及伴随方程反演,都可以得到较为准确的近场过压信号,且伴随方程反演方法具有更优的高频信号即局部激波信号反演能力,远场感知声压级更精准。反演结果相应的等效面积分布与参考值高度吻合,表明此方法能够为等效面积指导的低声爆气动优化设计提供基础。