基于一种贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动优化设计

为了在可接受时长内获得高空螺旋桨气动方案的最优解，提出一种基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动外形优化设计方法。该方法以拉丁超立方抽样获取螺旋桨气动外形参数的初始样本点，建立以该参数为输入、数值模拟获取螺旋桨气动性能为输出的初代高斯过程模型；以遗传算法和三种并行加点准则构成的子优化获取新样本点，求取新样本点的气动性能，并更新样本数据和高斯过程模型。该方法可以使新样本点快速向最优解附近集中，从而提高最优解附近的模型近似精度。为验证模拟方法，加工了某高空螺旋桨进行地面试验。与模拟结果相比，试验推力平均误差2.34%、扭矩平均误差3.33%。以课题组自研的6个低雷诺数翼型为基础，使用该方法对某高空太阳能无人机螺旋桨进行优化设计，优化结果显示：螺旋桨在设计点推力提高9.24%、效率提高8.13%。研究结果表明，该方法对高空螺旋桨优化设计及相关工程应用具有较强的参考价值。     

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计，发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围，应采用变桨距技术，需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配，可实现人工变桨距，在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构，基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm），完成了支座固支的桨叶铺层参数优化，得到桨叶质量和频率的Pareto解集，在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案，并与实物测试值对比，结果表明：桨叶质量相对误差2.09%；支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%；桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%，避开了工作转速共振区间，证明该结构优化方法是合理有效的。     

一种高空飞艇螺旋桨结构多目标优化设计方法

为了远离旋转激振力的影响避免桨叶共振,需要提高桨叶的弯曲频率,这不可避免的会增加质量。为了解决低质量与高频率之间的矛盾,提出了一种螺旋桨两目标优化方法。以桨叶最小质量和最大弯曲频率作为两个优化目标,以复合材料的铺层角度、铺层厚度和铺层区域作为设计变量,以最大应变、桨尖最大位移和桨叶50%、75%和85%剖面处的扭转角作为约束,使用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对螺旋桨进行优化设计,得到了关于质量和频率的Pareto解集。转速为520 r/min的两叶桨的转频为8.76 Hz,穿越频率为17.33 Hz,根据频率在Pareto解集上选取远离这两个点的方案。通过制造与测试,得到的实物桨叶频率为12.29 Hz,距离两个共振点都较远,有效的避免了桨叶共振。      

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.      

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。     

涡流恢复导叶对螺旋桨气动和声学性能影响研究

为了对比安装涡流恢复导叶与单排螺旋桨气动性能和气动噪声的差异,采用数值模拟的方法研究了安装六种不同间距涡流恢复导叶和单排螺旋桨的气动力及气动噪声。研究结果表明：在起飞状态,级间距Δx=0.27的工况下,安装涡流恢复导叶使得推力系数增加6.4%,效率增加6.7%。随着间距的增大,前级叶片的桨尖涡、尾迹涡等涡系结构在通过后级叶片时破碎并向下游传播,且强度逐渐减小。噪声强度随着级间距的增加而逐渐减小,最大级间距涡流恢复导叶的噪声与最小级间距涡流恢复导叶噪声相比降低5.7 dB,噪声下降幅度随级间距的增加逐渐减缓,存在级间距最优位置使得推力增加最大,噪声强度适中。     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

基于气动载荷分布的螺旋桨诱导流场重构设计

基于分布式电推进飞行器创新性发展理念,以螺旋桨滑流耦合下机翼气动效率最优为目标开展螺旋桨诱导流场重构设计研究。首先,通过构建基于动量源方法的准定常数值模拟技术,建立了螺旋桨桨盘载荷分布与诱导流场特性之间的联系;然后,基于对螺旋桨桨盘气动载荷分布曲线的参数化控制,提出了螺旋桨诱导流场重构优化设计思想及设计方法;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出螺旋桨诱导流场重构设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与等拉力最小诱导损失螺旋桨相比较,基于所提出诱导流场重构设计思想设计得到的螺旋桨最优气动载荷分布耦合下的机翼气动效率得到显著改善,在本文设计状态下,机翼翼段计算升力相对提高10.40%,计算阻力相对降低7.05%,计算升阻比相对增大18.77%。     

临近空间螺旋桨气动性能数值分析

在试验条件不成熟和计算性能不够好的情况下,提出了一种研究螺旋桨气动性能的方法。首先对叶素周围的流场进行数值模拟,分析叶素的气动性能、得出叶素升阻系数,然后差值得到叶素升阻系数沿桨径的连续分布,再利用叶素理论对螺旋桨的整体气动性能进行分析。研究表明,本文的研究方法不仅可以对叶素周围流场进行详细的分析,还能够较好的分析螺旋桨整体气动性能。对本文研究的螺旋桨而言,来流马赫数为0.1时,螺旋桨会发生严重的气动分离,来流马赫数为0.3时,桨径上分离区变小。     

螺旋桨安装效应对无人机气动特性影响

为解决某型飞翼布局无人机(UAV)带动力构型风洞试验最大升阻比相对无动力状态大幅下降的问题,采用计算流体动力学(CFD)方法对无人机无动力与带动力构型进行了数值模拟,数值模拟结果分别与无动力以及带动力风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了螺旋桨安装效应对无人机气动特性的影响。结果表明:推力螺旋桨与机身之间气动干扰产生的低压区致使阻力增加,从而导致飞机最大升阻比相比无动力状态下降了30.7%。针对无人机在推力螺旋桨影响下出现的最大升阻比下降问题,采用增大螺旋桨与机身之间距离的方法可以有效地消除机身后部出现的低压区,减小了阻力,提升了无人机最大升阻比。桨毂拉长方案在8°和9°迎角下最大升阻比分别提升了17.3%和15.4%。     

基于多目标遗传算法的再入飞行器气动布局优化

本文采用多目标遗传算法来确定再入飞行器气动布局优化问题的Pareto最优解集，并和传统的多目标优化方法（加权和方法、约束法）进行比较。通过计算表明，多目标遗传算法能够在一次运行中搜索到优化问题的近似Pareto最优解集，这为飞行器设计得进行目标折衷决策提供了充分的依据。     

高空长航时无人机螺旋桨后掠桨叶气动研究

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎角变化、桨尖三维效应、桨尖激波强度、激波-附面层干扰综合影响。     

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

基于遗传算法的常规复合式高速直升机飞行性能参数优化

单旋翼带尾桨式的传统直升机受旋翼气动特性的不利影响，其最大飞行速度等性能受到制约，因此高速直升机成为国内外研究的热点。为研究基于遗传算法的参数优化对常规旋翼构型复合式高速直升机飞行性能的影响，本文采用动量叶素理论和Young曲线拟合相结合的方法建立了悬停和低速下负拉力状态螺旋桨气动模型，构建了基于遗传算法的飞行性能优化模型。以X3高速直升机为样例，对悬停、低速（200km/h）和高速（400km/h）分别进行优化，分析了直升机功率、操纵量和姿态角变化。结果表明，基于遗传算法的参数优化方法能提升特定速度下复合式直升机的飞行性能。悬停、200km/h和400km/h优化后的直升机总功率均降低，比基准值分别低16.3%、10.9%和19.6%。高速时最优直升机总功率主要依赖优化旋翼部件，通过显著降低旋翼总功率来实现。悬停状态的优化参数趋势和操纵量变化与400km/h优化后的相反，而200km/h优化后的旋翼参数变化趋势与悬停状态一致，螺旋桨参数变化趋势则相反。本文为未来高速直升机总体参数选择、飞行性能优化等提供一定的帮助。     

基于势流理论的螺旋桨效率-噪声样本分析方法

为了提高效率、降低噪声，螺旋桨设计需要在精确的性能预报基础上，平衡不同参数对设计目标带来的影响。本文以面元法为主要手段预报CLT桨的水动力性能，并引入噪声模型进行噪声预报。整个过程以4叶CLT（Contracted and Loaded Tip）桨—P1727桨为母型桨，在螺距比为原桨螺距比0.9~1.2倍范围内，考虑3叶、4叶、5叶三种叶数形式，最终计算100个设计桨案例的水动力性能和噪声性能。设计桨最终满足某中型船的推力要求，并寻找螺旋桨最小叶尖涡流噪声-最大效率解集。计算结果表明，在固定推力值的情况下，螺旋桨叶数与噪声成反比趋势，效率与噪声性能受螺距比影响，并呈现出一定的规律性。对于高效桨P1727而言，改变螺距比与叶数会使效率与噪声存在一定的平衡范围，可以应对不同的设计要求。     

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453 的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6 构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程结合SST 湍流模型的方法,并采用T-Rex 高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明：后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12 次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。     

七叶侧斜螺旋桨设计参数对空泡性能的影响研究

为建立有效的预报螺旋桨空泡性能的方法,并基于该方法参数化分析七叶侧斜螺旋桨设计参数对空泡性能的影响,基于CFD方法建立了螺旋桨全湿流和空泡流非定常数值计算模型。通过对DTMB4381标准螺旋桨全湿流及空泡数值模拟结果与试验值的对比,验证了计算模型的准确性。通过对网格的收敛性分析,验证了收敛性并保证了计算精度。采用B样条曲线拟合方法拟合某七叶侧斜螺旋桨设计参数,通过改变控制点的值改变设计参数的分布型式。在此基础上重点分析了该七叶侧斜螺旋桨桨叶侧斜、弦长以及纵倾分布型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减小空泡面积,使空泡的随边边界向桨叶中心偏移,增大侧斜后螺旋桨平均推力较原型桨增大9.0%;增加盘面比会使空泡面积增大,但会降低螺旋桨单位面积的平均负载,增加盘面比后螺旋桨平均推力较原型桨增大11.8%;同时桨叶向压力面弯曲或向吸力面弯曲的计算都表明,一定程度的纵倾有利于改善螺旋桨的空泡性能。     

螺旋桨/机翼耦合下的目标螺旋桨滑流设计

针对分布式电推进(DEP)构型等具有多螺旋桨特征的飞行器,发展了通过优化螺旋桨滑流来达到提高机翼升阻比的方法。提出了一种可以获得目标诱导速度分布的螺旋桨设计方法,基于面元法发展了一套可以快速计算螺旋桨机翼干扰的气动程序Prop-wing,基于Kriging代理模型建立了一套高效的优化方法获得最优的螺旋桨诱导速度分布提高机翼升阻比。优化结果显示当拉力保持相同时,螺旋桨桨毂附近的轴向诱导速度越大,下游机翼的升阻比越大。在不对螺旋桨功率进行限制时,优化后的螺旋桨使得下游的翼段阻力相比较安装最小能量损失设计的螺旋桨的翼段减少了1875%,而翼段升阻比提升达到了2563%,当优化螺旋桨功率被限制后,翼段升阻比提升为962%。虽然升阻比的提升需要付出螺旋桨效率下降的代价,但是研究还是给分布式动力滑流的利用提供了一种思路。