Kriging模型及代理优化算法研究进展

代理模型方法由于能显著提高工程优化设计问题的效率,在航空航天及其他领域得到了广泛重视,并逐渐发展成为一类优化算法,本文称其为代理优化（SBO）算法。在现有的代理模型方法中,如多项式响应面、径向基函数、神经网络、支持向量回归、多变量插值/回归、多项式混沌展开等,源于地质统计学的Kriging模型具有代表性,是一种非常具有应用潜力的代理模型方法。以飞行器设计领域的优化问题为背景,介绍了Kriging代理模型及应用于优化设计的理论和算法的最新研究进展。首先,概述了Kriging模型的基本理论和算法,并讨论了影响Kriging模型鲁棒性和效率的几个关键性问题。其次,回顾了Kriging模型理论和算法研究的3个最新研究进展,包括梯度增强型Kriging、CoKriging和分层Kriging模型。而后,分析提炼了基于Kriging模型的代理优化算法的优化机制和优化框架,给出了“优化加点准则”和“子优化”的概念,并介绍了目前常用的几种优化加点准则及其相应子优化问题的求解与约束处理;同时,还介绍了最新提出的局部EI加点准则以及代理优化的终止条件。最后,介绍了代理优化在标准测试函数算例验证、飞行器气动与多学科优化设计典型算例确认方面的研究进展,并对当前存在的一些关键科学问题以及未来研究方向进行了讨论。     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

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。     

机器学习数据融合方法在火箭子级栅格舵气动特性建模应用中的比较研究

机器学习数据融合方法可帮助降低飞行器气动数据库建立的成本,加快研制进度,目前已经成为飞行器设计方法领域越来越活跃的研究方向,但其在工程复杂问题方面的应用研究并不充分。将多种常见变可信度数据融合模型应用于运载火箭子级栅格舵落区控制的工程项目,在开展部分工况的风洞试验基础上,结合少量的CFD数值模拟结果,研究相关函数和不同模型预测完整工况气动特性数据的差异性。通过对比加法标度函数修正模型、Co-Kriging模型、分层Kriging模型和多可信度神经网络模型等4种不同的数据融合模型发现:高斯指数相关函数对气动建模问题的适应性更好;Co-Kriging模型对气动数据的内插表现最好;分层Kriging模型对内插的预测精度较高,外插效果不理想;多可信度神经网络模型在外插区域能获得更光滑、合理的预测结果。     

高超声速安定面／舵面干扰特性研究

为了改善高超声速乘波体飞行器的稳定性及操作性,针对安定面／舵面组合体的绕流特性进行研究。通过数值求解RANS方程,对Ma=6时安定面／全动舵组合体关键参数对舵效的影响规律进行研究,并对流动机理进行分析。计算结果表明,安定面与全动舵间水平距离、垂直距离是影响舵效的关键参数。分析干扰流场可知,全动舵主要受到安定面尾迹、激波系及翼尖涡的干扰。其中,安定面尾迹对舵面干扰最大,故全动舵应尽量避开安定面尾迹。     

前缘钝化对高超声速舵面气动/热特性影响研究

利用雷诺平均Navier-Stokes方程研究了高超声速舵面前缘半径对气动力/热特性的影响规律。根据高超声速热流计算中对壁面网格的要求,生成了适合于热流计算的结构化网格。首先以圆柱和钝双锥高超声速的粘性绕流数值模拟为例,验证了网格生成方法的可靠性和计算方法的正确性。在此基础上,以六边形翼型为基准开展了高超声速下舵面的前缘半径对升阻特性和热流密度的影响规律研究。研究表明,增加前缘钝化半径可有效降低热流密度峰值,热流密度峰值随着前缘半径增加先急剧下降,而后渐趋平缓;升力系数随前缘半径的增加呈近线性减小趋势,阻力系数随前缘半径的增加呈近线性增加趋势。研究结果可为高超声速舵面设计提供定量参考依据。     

基于XML语言和代理模型的翼型通用气动数据库技术

建立翼型气动数据库对翼型的选择和设计具有重要的意义。本文基于一种建立翼型通用气动数据库的思想,介绍该数据库的基本框架和基本功能;该数据库采用一种基于可扩展标记语言的通用数据格式进行存储,包含翼型几何特性数据、不同流动状态下力系数、物面压力分布等各种气动数据,并且还可提供灵活多样的数据处理功能;采用代理模型和变可信度模型技术,实现气动数据快速检索和插值功能。通过DU93-W-210翼型算例初步表明如何实现气动数据生成和快速插值,从而初步展示了所提出翼型气动数据库技术的可行性。     

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。     

高载荷函道螺旋桨翼型高速风洞实验研究

给出了由西北工业大学翼型研究中心设计的四个高载荷函道螺旋桨翼型在FL-2l风洞进行的部分典型实验结果，进行了分析，并与数值计算结果进行了比较，结果表明，四个函道螺旋桨翼型在设计马赫数范围内均具有高升力条件下高升阻比的气动性能。     

基于梯度增强型Kriging模型的气动反设计方法

基于Kriging模型的代理优化算法目前在气动优化设计中得到了广泛应用。但在高维(设计变量大于30个)气动优化中,计算量过大的问题对其进一步发展产生了严重制约。将翼型和机翼气动反设计问题转化为优化问题,采用Adjoint方法进行快速梯度求解,利用基于梯度增强型Kriging(GEK)模型的代理优化算法分别开展了18、36和108个设计变量的气动反设计。首先,通过采用在设计空间局部建立GEK模型的方法成功地将基于代理优化算法的气动反设计问题的维度拓展到了100维以上。其次,研究了梯度计算精度对基于GEK模型的反设计的影响,发现梯度精度越高,反设计的最终效果越好,同时效率相当。最后,通过不同维度的气动反设计算例,比较了改进拟牛顿法(BFGS)、基于GEK模型和Kriging模型的代理气动反设计方法,结果表明基于GEK模型的代理优化算法的效率大幅度高于基于Kriging模型的代理优化算法,并且维度越高,效率优势越明显;同时,基于GEK模型的代理优化算法在优化效果及分析程序调用次数上相比于BFGS方法也略有优势。