基于控制理论的旋翼翼型优化设计

基于粘性Navier-Stokes方程和最优控制理论原理,研究了气动/几何约束条件下多设计变量的旋翼翼型气动优化设计问题。根据给定目标函数的表达形式,在计算坐标系下推导出了相应的伴随方程和边界条件,以及梯度方程的数学表达式,并对流动控制方程和伴随方程进行了有效数值求解。综合流动方程、伴随方程、目标函数敏感性导数和优化算法,发展了一种高效旋翼翼型气动优化方法。通过典型旋翼翼型的算例验证,表明方法的有效性。     

基于控制理论的Euler方程翼型减阻优化设计

在Jameson的控制论气动优化设计思想下，应用Euler方程研究了翼型的反设计和减阻问题。设计过程中的梯度是通过求解一个伴随偏微分方程而得到的，每个设计迭代只需求解一次Euler方程和一次伴随方,一与设计变量数无关。在具体数值执行中：①利用分部积分将目标函数变分的计算转化成了类似于计算Euler方程残值的形式，节省了机器时间；②根据控制理论的要求，将减阻问题转化成了相应地修改伴随方程的物面边界条件和目标函数的变分表达，使问题得到了简化；③利用特征不变量分析法，处理了伴承方程的物面和远场边界条件。设计算例证明了本文方法可靠性好、收敛快、大大节约设计时间。     

基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算

反隐身技术的发展对军用飞行器的隐身性能提出更高要求，针对经典电磁场伴随方法无法获得表面灵敏度，难以为优化设计提供直观指导，且梯度求解时需反复填充阻抗矩阵，当设计变量、入射角度较多时梯度求解效率下降的问题，提出了基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算方法，并结合基函数特点提出了表面灵敏度的稀疏存储和稀疏矩阵-矢量相乘方法，避免了直接计算表面灵敏度时计算量、存储量无法承受的问题。提出的表面灵敏度计算方法可以通过一次阻抗矩阵偏导数求解得到所有网格点的表面灵敏度，避免反复填充阻抗矩阵的问题。当入射角度改变时，求解任意数量设计变量梯度的计算量约为8次矩阵-向量乘，显著提升基于伴随方程的梯度计算效率，为作战飞机气动隐身一体化优化设计提供有力技术支撑。     

基于离散伴随方程的三维雷达散射截面几何敏感度计算

针对有限差分法计算雷达散射截面（RCS）梯度效率低，采用高精度雷达散射截面评估时计算代价高的问题，提出了一种基于麦克斯韦积分方程离散伴随方程的RCS梯度高效计算方法。基于伴随方程的梯度计算可以通过一次雷达散射截面求解、一次伴随方程求解获得RCS关于所有设计变量的梯度。其中麦克斯韦积分方程离散伴随方程的形式与原方程基本一致，可以采用矩量法（MOM）及多层快速多极子算法（MLFMA）求解。伴随方程求解计算量与直接雷达散射截面评估基本一致，存储量在直接雷达散射截面评估的基础上增加不明显。通过双椎体模型、导弹模型对基于矩量法、多层快速多极子算法的伴随梯度进行验证，证明了基于伴随方法的RCS梯度计算可以实现复杂外形中RCS梯度的高效、高精度求解，为基于梯度的高精度气动/隐身一体化优化提供了基础。     

一种三维弹性机翼气动优化新方法

基于控制理论方法和有限元分析软件,通过将网格生成、流场计算、有限元分析、粘性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,研究与发展了计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法,其中,雷诺平均Navier-Stokes方程为主控方程,气动载荷和结构静弹性变形量由气动/结构方程的耦合迭代求解得到,目标函数梯度信息由共轭方程数值求解得到。典型大展弦比机翼气动减阻设计结果表明：研究及发展的计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法是有效的,能够有效考虑静气动弹性的影响。     

基于控制理论的压气机叶型数值优化方法

将基于控制理论的气动优化方法应用于轴流压气机叶型设计.以Euler方程作为流动控制方程,具体推导得出了其相应的伴随方程,分析了边界条件,并给出求解方法.以给定压力分布作为目标函数,将参数化叶型作为设计变量,在求得目标函数对设计变量的梯度信息后,结合BFGS优化算法得到优化方向,更新设计变量完成叶型的优化设计.通过三个算例验证了该叶型优化设计方法的有效性.      

基于N-S方程的翼型气动优化设计

本文简要回顾了气动优化设计的最新发展，并采用连续伴随方法对粘性条件下的翼型气动外形进行了优化设计。设计过程中，采用B样条曲线的控制顶点作为设计变量，通过求解伴随方程得到目标函数关系设计变量的梯度，最后用最速下降法和BFGS变尺度法对二维翼型进行了外形优化，验证了本方法直接、快速的设计能力。     

基于连续伴随方程和FFD技术的气动外形优化设计

正气动优化设计多年来一直是重要的研究领域,目前气动优化方法主要分为两类:一类是基于梯度的优化算法,通过估算目标函数梯度,然后在负梯度方向更新设计变量来降低目标函数值~([1]),如有限差分方法和伴随方法;另一类是全局优化算法,如进化搜寻或称之为遗传算法,此算法是通过在设计变量空间半随机抽样,不需要任何梯度估算~([2-3])。遗传算法计算量较大,传统的基于有限差分的梯度法随着设计变量的增加计算量成倍增大,对于较大设计     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式，并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合，发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率，将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计，一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

基于控制论隐式约束的翼型跨音速减阻优化设计

采用基于梯度的优化方法来研究气动外形优化设计问题,其梯度的计算是通过求解伴随方程得到,与传统的差分法和遗传算法相比计算量大大减小.采用一种全新的隐式约束处理方法:约束自动地满足而且设计状态不改变,因而程序设计也相对简单高效.给出的算例也达到了预期的优化设计目标.     

基于共轭方程法的跨声速机翼阻力优化设计

机翼的气动特性从根本上决定了飞机巡航状态下的气动特性,经过良好设计的机翼会明显地提升全机的气动特性。连续共轭方程方法由于其求解梯度的计算量与设计变量数目无关,可以对复杂构型进行有效的优化设计。本文采用连续共轭方程方法对粘性条件下的机翼气动外形进行了优化设计。采用有限体积法进行流动控制方程和共轭方程的数值空间离散,多步Runge-Kutta方法进行时间推进,对于某三维机翼进行了有效的气动优化设计。     

基于N-S方程和离散共轭方法的气动外形设计

快速准确的目标函数梯度计算方法是基于梯度信息的优化设计的关键技术之一。采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为三维N-S方程。对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法时间推进求解。检验了离散共轭方法计算梯度的准确性,利用该方法进行了机翼的优化设计与反设计,都获得了较好的结果。算例证明了本文方法可靠性好,效果令人满意。     

基于控制理论和NS方程的气动设计方法研究

研究了基于控制理论和NS方程的气动设计方法,针对给定的目标函数表达形式,应用该设计理论在计算坐标下详细推导了相应的共轭方程及边界条件具体表达形式,以及梯度方程求解表达式,通过合理的数学变换,导出了共轭方程在笛卡尔坐标系下的直观表达形式,发展了有效的共轭方程数值求解方法,通过流动控制方程数值求解、共轭方程数值求解、目标函数对设计变量的梯度求解和优化算法等方面的有效结合,研究与发展了一种新的气动设计方法,以二维机翼气动设计为例,成功进行了亚、跨音速情形下的相关设计算例研究,研究结果表明应用控制理论和NS方程的气动设计方法在设计理论、适用性以及时间花费等方面都有着很好的特色和优点,且设计结果也更为可靠.     

基于N-S方程和离散共轭方法的气动设计方法研究

对于基于梯度信息的优化设计方法,很重要的一点是快速准确获得目标函数对设计变量的梯度.本文采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为N-S方程.对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法求解.算例表明,对于亚声速和跨声速两种情况,该方法都能快速准确地获得升力和阻力关于设计变量的梯度.本文采用该方法进行了翼型优化设计,成功地减弱了激波,降低了总阻力.算例证明了本文方法可靠性好、收敛快, 特别适合工程实际.     

基于共轭方程法的跨音速机翼气动力优化设计

 设计状态的机翼气动力特性是设计人员最为关心的指标, 应用控制理论设计方法进行了有升力约束情形下跨音速机翼阻力优化设计研究, 根据给定的目标函数推导了相应的共轭方程和边界条件, 研究了共轭方程的数值求解方法, 以及计算目标函数对设计变量的敏感性导数时所涉及的度量矩阵变分求解问题, 研究了流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和拟牛顿优化算法这几个主要方面的有效结合问题, 发展出了一种跨音速机翼气动力优化设计方法, 进行了跨音速机翼气动力优化设计研究验证, 优化后机翼气动力特性有一定程度的改善, 阻力系数能减少20%左右, 而升力系数有所增大, 说明所发展的设计方法是成功的, 该设计方法在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性。     

并行的多重网格方法在离散伴随优化中的应用

伴随优化方法在飞行器气动外形优化设计方面的应用越来越广泛,但以精细减阻等为目标的优化,面对真实飞行器仍然存在计算量大、计算周期长的问题。将多重网格技术结合并行技术运用于基于非结构混合网格、雷诺平均Navier-Stokes方程的离散伴随方程的求解,提高了离散伴随优化系统的整体效率。给出了伴随方程多重网格计算中的延拓和限制算子,采用V循环比较了不同层数的加速效果和粗网格残差计算方法对目标函数梯度敏感导数的影响。结合Metis分区技术,提出了适合伴随方程的数据并行传递简化方式,使伴随方程在300个并行分区计算时加速比仅比理想加速比低13%。采用发展的高效优化系统,选取了112个设计变量,对DLR F6翼身组合体跨声速状态进行减阻优化,使机翼空间激波得到弱化,阻力减小9counts。模拟验证结果表明,建立的高效的飞行器气动外形优化设计系统在三维真实飞行器外形优化方面,具有良好的应用前景。     

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.     

基于控制论隐式约束的翼型跨音速减阻优化设计

本文采用基于梯度的优化方法来研究气动优化设计问题,而梯度的计算是通过求解伴随方程得到的,与传统的差分法和遗传算法相比计算量大大减小。Jameson等人在处理约束时,都是采用显式的调整迎角的方式来修正设计状态以满足升力不减小的约束,这种处理缺陷很明显,程序复杂且设计状态被改变。本文采用另外一种全新的约束处理方式,隐式的方法让约束自动地满足且能保持设计状态在整个设计过程中都不会发生变化,程序也相对简单高效。最后,本文给出的算例也达到了预期的优化设计目标。     

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。     

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。