单通道客机气动标模CHN-T1设计

发展单通道客机标模,特别是针对国内客机研制的标模,一方面利于确认CFD软件计算的可信度,从而促进CFD软件能力提升,为客机气动外形设计提供可靠的分析工具;另一方面有利于确认风洞试验品质,校对测量仪器,改良干扰修正方法,研发先进测量技术。本文介绍了用于确认风洞试验和CFD可信度的标模CHN-T1的气动外形设计。该标模包含机身、机翼、平尾、立尾、短舱、吊挂等部件。对机翼开展了详细优化设计,并配置单通道的窄体机身、满足稳定控制需求的平尾和立尾、翼下吊挂的通气模型短舱,组成全机干净构型,具有现代单通道客机的典型几何外形特征。标模设计马赫数为0.78,设计升力系数为0.5。机翼采用高气动效率的超临界翼型,在有/无短舱/吊挂组件的影响下,机翼均展示了良好的气动性能。相关信息可为即将召开的"第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1)"提供基础。     

宽体客机气动标模CHN-T2设计

发展商用运输机标模是我国独立发展具有自主知识产权的先进民用飞机的重要支撑手段,对验证CFD技术和确认风洞试验品质具有重要意义。结合国内外主流宽体商业客机的布局特点和气动设计需求,基于自主开发的AMDEsign设计平台,设计研发了宽体客机标模CHN-T2。标模设计马赫数0.85,设计升力系数0.48。模型充分体现了主流宽体商用客机典型的双通道机身/超临界机翼/平立尾/翼吊通气短舱等几何特征,具有典型的部件间强干扰/激波分离/转捩等流场特征以及优异的高亚声速巡航/高升阻比气动效率等性能特征。通过气动外形优化设计、短舱吊挂组件影响及雷诺数效应等研究,并结合风洞试验数据对比分析,最终确认CHN-T2模型巡航升阻比达到21.8、阻力发散马赫数约为0.872、抖振边界大于1.3倍巡航升力系数、风洞试验准雷诺数为3×10⁷。研究认为,CHN-T2模型具有良好的气动性能,能够作为先进宽体客机气动标模进行应用推广。通过持续建立的丰富气动数据库和流场影像,可有力支撑宽体客机流动机理分析、CFD技术验证与确认、先进风洞试验技术发展验证、CFD与风洞数据相关性等研究。     

民机飞发集成构型中机翼多目标优化设计

利用超级计算机资源求解雷诺平均N-S方程(RANS),计算评估大量外形方案性能,在可接受的时间周期内完成民机飞发集成构型下机翼多目标优化设计。搭建了集成机翼CST参数化、复杂外形网格变形、快速CFD流场解算和自动后处理等关键环节,用遗传算法全局寻优的优化系统。合理的流程设计使该系统可在"天河2号"超级计算机上同时对数百个方案实施计算评估。在并行计算、加速收敛等技术的综合运用下,使用包含800万单元的多块结构化网格,对NASA CRM (Common Research Model)机翼/机身/短舱/吊挂构型的计算分析可在15min内结束。在3点3目标优化案例中,用90个设计变量表达CRM机翼9个控制剖面的中弧线和扭转角,60h内完成了超过10000个外形方案的计算分析,遗传进化40代。与初始外形相比,PARETO前缘上选择的最优解的各设计点取得了2～10count(1count=阻力系数0.0001)的减阻效果。     

伴随压力分布反设计方法在大型客机气动优化中的初步探索

从工程应用角度出发,对离散伴随压力分布反设计优化方法在宽体客机机翼设计中的应用进行了研究。提出了三维构型伴随压力分布反设计与伴随优化相结合的优化设计思路,促进了离散伴随气动优化设计方法的工程化。首先,针对CRM机翼构型进行了三维压力分布反设计,验证了离散伴随压力分布反设计在三维问题中的准确性和高效性。其次,应用提出的新的优化设计思路,在某宽体全机构型两点气动优化结果的基础上,引入压力分布反设计约束方法,改进了机翼压力分布和低马赫数的阻力蠕增特性,并取得了不错的减阻及阻力发散特性提升效果,提升了优化构型的工程适用性。     

多区域自由变形技术在短舱安装位置减阻设计中的应用研究

为了进行短舱安装位置参数的减阻优化设计研究,首先在NURBS样条基函数的基础上建立了多区域自由变形(FFD)技术,通过对FFD控制体框架边界条件的合理选取建立组合框架,实现了多个控制框架对复杂外形不同区域的自由变形参数化,采用多个控制框架的空间控制体对某型客机短舱安装位置进行减阻优化设计。试验设计取样之后应用随机权重粒子群算法和Kriging代理模型建立气动外形优化系统,对某型客机短舱水平位置和水平安装角进行气动优化设计。优化设计结果表明,设计后的短舱位置使得整个飞机在一定攻角范围内的阻力显著减小,从而证明了基于多区域自由变形技术建立的优化设计系统是合理和实用的。     

翼吊布局民机短舱位置气动影响

高涵道比发动机使得飞机/发动机近距耦合,造成气动力特性恶化。本文使用CFD方法对孤立通气短舱、某型民机机翼/机身组合体以及机翼/机身/短舱组合体构型进行黏性绕流数值模拟,分析流场特征,得出短舱安装干扰阻力水平;分别改变短舱安装的前伸量、下沉量、俯仰角、内撇角等参数,研究短舱不同在翼位置对高速巡航升阻特性的影响,支持短舱在翼位置气动优化。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

考虑发动机干扰的尾吊布局后体气动优化设计

针对尾吊布局飞机考虑发动机干扰的机身后体减阻优化设计问题,建立了适用于复杂构型的气动外形优化设计系统。该优化设计系统采用了自由形变(FFD)参数化方法和基于紧支函数的径向基函数(RBF)动网格技术、计算流体力学(CFD)技术、Kriging代理模型以及改进的微分进化算法。利用该系统对机身后体进行了减阻优化设计,总阻力减小了2.67%。流场分析显示,阻力减小得益于优化后改变了机身后体与短舱之间流管的形状,减小了与挂架产生的不利干扰,消除了流动分离,削弱了激波强度。优化结果表明,针对尾吊布局飞机后体减阻优化设计问题,所建立的优化设计系统具有较好的实用性。     

后缘发散翼型在宽体客机机翼设计中的应用

用计算流体力学手段,研究了在宽体客机机翼剖面上施加后缘发散修形设计可获得的收益.提出了一种使用幂函数表达扰动量的后缘发散修形设计方法,使用该方法研究了扰动幂次和后缘厚度对超临界翼型气动性能的影响规律,并对比了雷诺数4×106和2×107下后缘厚度对翼型阻力、力矩影响的差异.研究结果表明,后缘厚度是后缘发散翼型的关键参数,相同后缘厚度下雷诺数2×107的减阻效果不及雷诺数4×106.雷诺数2×107下,考虑跨声速减阻、亚声速增阻和低头力矩等因素后,后缘厚度取3‰c左右较为有利.尝试了后缘发散设计的两种应用思路,一是用来换取翼型厚度增加,二是用来调整机翼载荷分布.在翼型设计应用中,发现后缘厚度增加2‰c的修形量可使得最大相对厚度10.2％的超临界翼型在厚度放大到11.5％后仍具有不低于初始的升阻性能.在某宽体客机机翼方案上应用内翼1‰c和外翼2‰c的后缘厚度增量后,机翼-机身-短舱-吊挂构型可获得超过2?counts(1?count?=?阻力系数0.0001)的阻力下降,而不付出机翼厚度和阻力发散性能代价.     

民用客机可变弯度机翼优化设计研究

远程宽体客机在实际飞行状态下,机翼变弯度有效减阻能够提升客机性能和飞行品质。以全机配平构型为研究对象,基于襟翼、扰流板偏转建立变弯度模型;采用 RANS 方程实现阻力的精确求解并建立响应面模型,对不同升力系数、马赫数的多个飞行状态进行变弯度减阻优化;在此基础上,对实际飞行过程中变弯度操作需求及综合减阻性能进行分析,并采...     

Drag prediction method of powered-on civil aircraft based on thrust drag bookkeeping

A drag prediction method based on thrust drag bookkeeping(TDB) is introduced for civil jet propulsion/airframe integration performance analysis.The method is derived from the control volume theory of a powered-on nacelle.Key problem of the TDB is identified to be accurate prediction of velocity coefficient of the powered-on nacelle.Accuracy of CFD solver is validated by test cases of the first AIAA Propulsion Aerodynamics Workshop.Then the TDB method is applied to thrust and drag decomposing of a realistic aircraft.A linear relation between the computations assumed free stream Mach number and the velocity coefficient result is revealed.The thrust losses caused by nozzle internal drag and pylon scrubbing are obtained by the isolated nacelle and mapped on to the in-flight whole configuration analysis.Effects of the powered-on condition are investigated by comparing through-flow configuration with powered-on configuration.The variance on aerodynamic coefficients and pressure distribution is numerically studied.     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法，对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点，并结合代理优化算法，提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先，通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次，将所提出的方法与人工修型相结合，开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计，使其气动性能得到显著改善。最后，采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明，所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力；将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合，能够获得满足设计要求的气动外形，验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。     

Numerical study of a supercritical airfoil/wing with variable-camber technology

Variable-camber technology is considered an effective way to adaptively improve the aerodynamic performance of aircraft under various flight conditions. This paper studies the aerodynamic characteristics of the trailing-edge variable-camber technology by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) and a drag decomposition method. Trailing-edge variable-camber technology can be simply realized by the continuous deflection of the flaps and ailerons of a wing. A supercritical airfoil is used to study the two-dimensional effect of variable-camber technology, and a wide-body airplane model is used to validate the three-dimensional improvement in the wing's airfoil made by variable-camber technology. An optimization strategy for airfoil that incorporates variable-camber technology is proposed. The optimization results demonstrate that the proposed method can obtain better results than the traditional segregated shape optimization.     

大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究

更高、更快、减阻是飞机设计三大永恒的追求。传统的固定翼飞机在进行优化设计时需兼顾各种飞行条件,寻求一个折中的最优解,而变弯度机翼的概念能有效解决这个问题,符合上述飞机设计的三大追求。着重研究大型宽体客机后缘襟翼刚性变弯度对巡航气动效率及跨声速抖振边界的影响。首先基于下垂式铰链襟翼机构,编制了机构引导下带扰流板联合偏转的后缘襟翼运动仿真程序,以自动生成不同襟翼偏角的巡航构型。在此基础上对巡航构型进行非稳态气动计算,获得跨声速区机翼抖振边界。以该抖振边界作为约束条件,以襟翼偏角、迎角为双变量,获得Cl-K关系图,得到最优升阻比曲线。本文中襟翼偏角变化为0°~±3°,间隔1°;迎角范围为-2°~5°,间隔1°。计算结果表明,变弯度构型较不变弯度构型升阻比有所提高,抖振边界约提高10%;变弯度构型可提高不同设计点的气动效率,实现减阻省油;跨声速区机翼抖振边界的提高扩大了飞行包线,使得飞机能飞得更高、更快。     

Research of low boom and low drag supersonic aircraft design

Sonic boom reduction will be an issue of utmost importance in future supersonic transport, due to strong regulations on acoustic nuisance. The paper describes a new multi-objective optimization method for supersonic aircraft design. The method is developed by coupling Seebass–George–Darden(SGD) inverse design method and multi-objective genetic algorithm.Based on the method, different codes are developed. Using a computational architecture, a conceptual supersonic aircraft design environment(CSADE) is constructed. The architecture of CSADE includes inner optimization level and out optimization level. The low boom configuration is generated in inner optimization level by matching the target equivalent area distribution and actual equivalent area distribution. And low boom/low drag configuration is generated in outer optimization level by using NSGA-II multi-objective genetic algorithm to optimize the control parameters of SGD method and aircraft shape. Two objective functions, low sonic boom and low wave drag, are considered in CSADE. Physically reasonable Pareto solutions are obtained from the present optimization. Some supersonic aircraft configurations are selected from Pareto front and the optimization results indicate that the swept forward wing configuration has benefits in both sonic boom reduction and wave drag reduction. The results are validated by using computational fluid dynamics(CFD) analysis.     

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。     

Wing optimization of propeller aircraft based on actuator disc method

Propeller aircraft are widely used in general aviation. The rotating propeller has a strong effect on the aerodynamic performance of the wing. This paper uses an actuator disc to model the effect of the propeller. A wing optimization method is developed with the actuator disc method. Several wing optimizations with different slipstream settings are studied. The twist angle and airfoils of the wing are used as the design variables. The results show that the propeller slipstream and slipstream directions have a strong influence on the optimization process. Powered-on optimization with a slipstream can obtain better drag reduction results than unpowered optimization. The drag decomposition results show that most of the drag reduction comes from the form drag reduction. The symmetric “inboard-up” slipstream configuration is found to have the highest lift-to-drag ratios, which are 18.87 for the twist angle optimization and 19.15 for the airfoil optimization.     

超声速翼身组合体激波阻力优化的EFCE算法

 超声速飞行器的横截面积分布对其激波阻力的影响十分显著,合理的机翼和机身横截面积分布可以显著降低其激波阻力。使用类别形状函数变换(CST)方法对机身进行基于横截面积分解的CST参数化外形表示,在此基础上提出了扩展的远场组元(EFCE)超声速翼身组合体激波阻力优化算法,并使用该方法对超声速客机翼身组合体进行外形优化,使其激波阻力系数降低了39%。研究结果表明:由于只进行一个方向上的面积分解,机身CST参数化所使用的参数数量和相应优化过程的计算量比机翼大幅降低;经过EFCE激波阻力优化的机身具有较为明显的面积率修形"蜂腰"特征。