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。     

基于NURBS方法的机翼气动外形优化

飞行器气动外形优化就是将设计对象的空气动力学性能分析与最优化方法相结合,通过不断改变设计对象的外形,使其气动性能在满足一定约束条件下达到最优.气动外形优化是一个涉及几何参数化、动网格、流场计算和寻优算法的综合应用平台.随着计算流体力学(CFD)的发展以及高性能计算机的使用,气动外形优化在现代飞行器设计中的作用愈加重要....     

机翼气动外形优化设计方法综述

机翼的数值优化过程包括定义机翼的初始气动外形，计算气动特性（建模、分析）和数值优化两大部分，这里归纳并分析了几种常用的优化方法，围绕机翼的建模分析和数值优化，对机翼优化设计方法应用现状和发展趋势进行了阐述。     

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。      

有翼再入飞行器气动外形集成设计优化

气动外形设计是有翼再入飞行器（RV-W）的关键技术之一。分析了气动参数对再入飞行性能的影响,探讨了有翼再入飞行器气动外形设计的规律和准则。基于上述设计准则,以类X-37B飞行器为研究对象,集成几何参数化建模、气动力、气动热、热防护等学科快速分析方法,采用多学科设计优化方法,以最优气动特性为目标对飞行器气动外形进行了优化;得到优化气动外形后,对飞行器热防护系统（TPS）进行了轻量化设计优化。结果表明,优化外形的气动特性相比初始外形得到了较大的提升,设计优化得到的热防护系统重量占比（8.7%）优于同类飞行器的热防护系统重量占比统计数据,说明了本文有翼再入飞行器气动外形集成设计优化方法的有效性,可为同类飞行器提供参考。     

类AHW助推滑翔飞行器气动布局优化设计分析

AHW作为美国首飞即成功完成高超声速助推滑翔飞行试验的飞行器受到越来越多的关注。本文针对该类钝双锥十字形小尺寸弹翼外形气动布局阶段的共性问题进行了研究。基于参数化方法建立的基本外形和工程气动力估算模型,采用正交设计方法进行了参数敏感性分析,并对正交优化结果进行了数值模拟验证分析,在此基础上利用多目标优化方法完成了弹体布局的进一步优化。同时在优化外形基础上考虑气动特性以及总体和防热需求,对操纵面的类型、质心与操纵面尺寸配置以及操纵效率进行了探讨分析,给出了气动布局建议。研究表明,该类布局方式可以获得较高的配平升力、配平升阻比及容积率,并且合理的质心位置/舵面尺寸的组合可以实现操纵性需求,是高超声速滑翔飞行器的一种潜在布局方案。     

宽包线吸气式高超声速飞行器外形优化研究

针对吸气式宽包线高超声速飞行器的气动优化问题，基于任务要求建立了基于多点权重分配的气动外形优化模型，并采用“CFD+准一维流”方法开展了气动性能分析。为兼顾气动外形优化的效率与精度，通过改进现有的并行加点策略，发展了一套基于代理模型与梯度算法的分层优化框架，并采用函数算例对改进后的加点策略进行了验证。对吸气式高超声速飞行器的气动外形进行了分层优化，在满足各学科约束的情况下使飞行器在各个优化评估点处的气动性能均有所提升。     

三维机翼的气动优化设计

将机翼外形参数化的思想和气动分析有效结合,在ISIGHT软件集成平台中同时实现三维外形建模、气动分析及其优化的全过程.探讨了机翼三维模型的自动化建模方法和解决方案,实现了机翼外形建模的完全自动化,并对实现机翼气动优化的相关算法进行了分析和研究.通过对机翼三维外形的自动调整和修改,在集成优化框架内,实现了气动性能的最优化...     

飞行器外形多目标多学科综合优化设计方法研究

从多目标多学科综合设计的角度出发，探讨了飞行器外形优化设计方法。建立了针对飞行器外形设计的气动与隐身一体化优化设计模型；采用Pareto遗传算法，建立了多目标优化设计方法；并针对具体算例进行气动外形与隐身特性的综合优化设计，将所得优化设计结果，与初始外形相比较，可以看出，优化后气动和隐身性能都有较大提高，实际结果表明本文提出的方法具有可行性和适用性。     

倾转旋翼气动优化设计

倾转旋翼的气动外形设计需要对其在直升机模式和飞机模式下的不同要求进行综合考虑,对其气动外形相关参数进行优化以使倾转旋翼同时具有较高的悬停效率和巡航效率。本文基于自由尾迹分析方法建立了倾转旋翼的气动特性分析模型,以悬停和巡航效率为目标函数,以桨叶弦长分布、预扭角分布、厚度分布及翼型分布位置和旋翼转速为设计变量,以旋翼功率和桨叶重量为约束,提出了倾转旋翼气动多目标协同优化策略,对桨叶气动外形进行了优化设计,优化后的旋翼具有更优的气动性能,表明所提出的优化方法是可行的。     

多变量气动设计问题分层协同优化

 通过验证实例分析,气动设计中精细化优化模型对设计结果收敛精度的提高有很大帮助,但同时也带来优化算法搜索困难的问题,并且由于不同类型设计变量之间的相互耦合干扰使优化难以收敛到全局最优解。于是提出基于响应均值灵敏度的概念对大规模的设计变量进行重要性分组的策略,依据设计变量分组情况应用系统分解思想对多变量设计问题进行分层协同优化来降低系统的复杂度,这既保证了精细化设计的要求,又缓解了优化算法对大规模问题搜索困难的问题。与传统气动优化方法相比,基于系统分解的分层协同优化算例有较大寻优效率和性能提升,证明了该方法的可行性。     

某大型飞机后缘襟翼气动/机构综合优化设计

大型飞机增升装置的研制不仅需要其提供足够的气动性能,也需要对噪声、舒适性等进行综合考量设计,而增升装置是提高大型飞机综合性能的重要系统,也是目前技术发展亟待研究和解决的重要问题。对于增升装置机构设计,通过设计较为简单的铰链襟翼机构来引导襟翼达到较优位置,然后选择气动性能较好的位置作为新的优化位置,求得较优机构位置。机构位置改变结合气动性能验证需要进行大量的迭代计算以及结果优化,因此以机构设计为基础,探究多目标优化计算的新方法,最终实现气动结构一体化设计目标。选用铰链式后缘襟翼为研究对象,综合考量后缘襟翼旋转与扰流板下偏联合运动对于气动性能影响,利用所研究方法,对其进行气动机构一体化设计并得出设计结果。     

基于响应面的涡轮叶片冷却通道设计优化

基于响应面近似技术,对涡轮冷却叶片的气动和传热性能进行了设计优化。以冷却通道肋的位置为设计变量,采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点,根据样本点建立叶片计算模型,采用流-热耦合分析方法得到叶片气动与传热性能参数,拟合得到叶片壁面最高温度、平均温度和总压损失关于设计变量的四阶响应面近似模型。采用响应面模型动态修正技术,进行了回流式冷却通道的设计优化,得到了优化解,减少了总压损失,使叶片最高温度下降了24.5 K,叶片壁面平均温度下降了34.4 K。     

遗传算法在机翼气动优化设计中的应用

把最优化方法与机翼的气动力求解相结合,进行跨音速机翼的气动优化设计。采用最优化方法为遗传算法,机翼的气动力由三维欧拉方程的数值解来提供。与基准机翼相比较,优化设计的机翼其气动性能有较大幅度的提高,表明遗传算法在机翼优化设计中的可行性和有效性     

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。     

基于卷积神经网络和多项式混沌方法的翼型鲁棒性优化

在常规的翼型优化设计方法中,设计点处最优翼型的气动性能会在非设计点处有所恶化,因此有必要对翼型鲁棒性优化方法进行研究。提出一种基于卷积神经网络和多项式混沌方法的翼型鲁棒性设计方法,首先搭建基于卷积神经网络的气动力预测模型;其次采用多项式混沌方法对马赫数和攻角进行不确定度量化,构建翼型鲁棒性气动优化设计系统;最后对以 RAE2822 翼型为基准翼型的气动优化设计问题进行优化设计验证。结果表明：本文提出的翼型鲁棒性设计方法可行,优化后翼型的气动性能和鲁棒性气动优化设计效率在较宽的设计范围内都有所提升。     

隐身性能约束的多目标气动外形优化设计

从飞机外形设计的总体、气动和隐身设计要求出发,根据多目标优化的基本概念,将Pareto方法与遗传优化搜索相结合,并采用了群体排序、基于共享机制的小生境技术和Pareto解集过滤器等技术使解集具有良好分布特性,在此基础上建立了一套可满足飞行器外形气动/隐身一体化综合优化设计优化模型和优化方法。文中针对飞行器外形优化设计要求,提出了复杂外形参数化和设计变量的选取原则。并根据某飞行器设计要求,进行了在以隐身特性为约束条件下,以亚声速和超声速气动特性为设计目标的飞行器外形综合优化设计,取得了良好的优化设计结果。     

燃气轮机轮缘密封气动技术研究进展

为明确轮缘密封技术发展现状及趋势,在相关文献调研基础上,从轮缘密封燃气入侵的预测模型、轮缘密封不稳定流动机制、涡轮轮缘密封燃气入侵特性及流动机理、轮缘密封出流与涡轮主流的相互干扰、涡轮轮缘密封设计及气动性能改进等方面对燃气轮机轮缘密封气动技术的研究进展进行综述。简要总结了轮缘密封流动的常用研究方法与研究结果,并指出未来除需进一步完善多参数耦合影响下的多种封严结构燃气入侵理论预测模型,强化涡轮高参数试验及高精度数值计算方法外,还应在变工况条件下的旋转诱导入侵、轮缘密封间干扰和封严出流与主流非定常交互演化机制等方面开展更深入的细致研究,并在此基础上探索高性能轮缘密封结构设计优化技术。另外,强化气热环境下的封严出流对涡轮冷却特性的影响研究,发展考虑封严出流作用的涡轮低维度气动设计技术也是轮缘密封技术发展的重要方向。      

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

翼身融合飞机的空气动力学研究进展

翼身融合飞机(Blended Wing Body Aircraft-BWB Aircraft)是一种新型高升阻比无尾布局的大型运输机,其气动特性的研究是BWB布局飞机克服众多技术难题的基础。文章首先简述了BWB布局的研究历程,给出巨型BWB布局飞机的总体几何特征参数和基本性能,并简述风洞和自由飞试验情况;接着介绍BWB研究中的多学科优化平台,着重讨论气动优化技术,它是解决BWB布局气动问题的基础手段之一;然后综述BWB布局研究的热点领域:气动特性研究、气动弹性研究和发动机/机体一体化设计研究;最后提出BWB布局发展趋势的若干方面。