基于动态边界控制的优化方法在高升阻比气动外形优化中的初步应用

本文是利用动网格技术和有限体积法来研究基于动态边界控制的气动优化的方法.该优化方法是通过在求解非定常流动的过程中计算优化的目标函数随设计变量变化的梯度.而利用参数化的结构动网格技术能有效、快速地生成与优化过程出现的外形对应的网格并进行计算,具有较高的效率.本文以典型的高升阻比外形优化为例,用非定常NS方程为流动控制方程进行优化,取得了初步的结果.     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

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。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

翼型外形高气动效率/低可探测性的优化

 采用ｖａｎＬｅｅｒ矢通量分裂格式求解Ｅｕｌｅｒ方程的方法计算了绕翼型的气动特性;采用矢通量分裂方法计算了绕翼型的时域电磁散射场特性及雷达散射截面积（ＲＣＳ）;采用一种简单而有效的数值优化方法对流场解和电磁场解进行了翼型外形高气动效率／低可探测性的优化计算。算例结果表明,本方法提供了一种对翼型既可作气动优化设计亦可进行多学科综合设计的有效工具。     

气动与隐身性能计算精度对飞行器设计的影响

将计算精度高的流场和电磁场求解算法引入到飞行器外形多目标优化设计中,研究了气动特性和雷达散射截面算法计算精度对外形设计结果的影响.以无人机外形气动与隐身一体化设计为例的研究结果表明,低精度优化设计的外形在实际应用中难以获得预期的性能,采用高精度计算模型的优化设计可以获得性能更优的外形.     

基于动态边界控制的气动优化设计方法研究

本文根据控制变形物体边界变化的思想,建立了一种基于动态边界控制的气动优化设计方法,此方法通过在求解非定常流动方程过程中计算设计目标函数随设计变量变化的敏感性导数,这样在优化过程中不再需要求解定常流动方程,或共轭方程,从而使得优化过程得到简化并且便于在不同条件下应用.文中以二维翼型为例,用非定常欧拉方程为基本流动控制方程,针对两种优化设计问题,开展了翼型的优化设计,取得了良好的优化设计结果.     

一种计及静气动弹性变形影响的跨声速机翼气动优化设计方法研究

耦合流场控制方程和结构静平衡方程求解得到大展弦比跨声速弹性机翼气动性能,分析研究了结构静弹性变形对气动载荷的影响.在此基础上以机翼典型剖面外形和机翼型架外形为设计变量进行了基于控制理论的跨声速弹性机翼气动优化设计方法研究,实现了在真实飞行条件下考虑静气动弹性变形影响的大展弦比跨声速弹性机翼一体化优化设计.优化设计算例结果表明所发展的方法是成功的,优化得到的弹性机翼在满足升力系数约束条件下提高了升阻比.     

高超音速飞行器前体优化设计方法研究

基于响应面法对高超音速飞行器前体进行气动优化设计,流场求解采用欧拉方程,并结合非结构动网格技术,便于适应复杂外形而且在每次外形改变后不必重新生成网格,有利于保证计算效率,响应面模型采用二次多项式来构造,数值结果表明由本文设计的前体/进气道布局结构简单,能获得更高的压缩率和总压恢复系数,以及更高的升阻比,该方法在多约束多目标条件下进行气动优化设计,设计质量较高,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

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.     

乘波体飞行器气动布局优化设计

由于具有高升阻比,乘波体是高超声速巡航飞行器气动布局的首选方案。文章在求解圆锥激波流场精确解的基础上,应用流线追踪方法,建立了乘波体飞行器气动布局的参数化模型。在此基础上,对飞行器的气动力特性进行了估算。最后,以气动布局参数为设计变量,升阻比最大化为设计目标,对乘波体飞行器进行气动布局优化设计,应用改进的粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),对优化模型进行求解,得到了优化的气动布局设计方案。     

超声速隐身歼轰机概念设计数值模拟

为了提高军用飞机的空战和对面攻击能力,对歼轰机进行总体设计。采用CATIA软件,设计出隐身歼轰机的三维数字样机和武器挂载方案;基于物理光学法和等效电磁流法,采用自编的RCSAnsys软件,数值模拟歼轰机的数字样机在X、S和UHF波段下的RCS特性和强度分布特性;基于湍流模型的k-ε方程和控制理论的N-S方程,采用Fluent软件,数值模拟歼轰机的数字样机所在空气流场的压强和速度分布云图,得出整机的升阻特性。概念设计数值模拟结果表明：内置弹舱的歼轰机前向±30°的RCS均值≤-4.728 dBsm,超声速飞行时歼轰机的升阻比约等于5.6337。     

钝前缘三角翼无人机气动特性研究

三角翼布局因其优良的气动特性在军用飞机和无人机上获得了广泛应用.为了研究钝前缘三角翼无人机的气动特性,首先采用求解雷诺平均N-S方程的方法对NASA钝前缘三角翼标模进行对比计算,以验证计算方法的可靠度;然后对无人机四个升降舵偏角的气动力和流场特性进行分析研究.结果表明:三角翼无人机在升力系数较小时具有较高的升阻比,当迎角小于1 5°时,钝前缘三角翼前缘气流附体、吸力较高,翼面的横向流动不明显,使飞机的升阻比提高;当迎角大于15°后,涡流特征起主导作用,使得飞机在直到40°迎角范围内没有出现大面积气流分离,具有良好的俯仰稳定性,升降舵效率较高.钝前缘三角翼气动布局在翼展受限、翼载较小的条件下具有一定的气动特性优势.     

A parameterized geometry design method for inward turning inlet compatible waverider

Intensive studies have been carried out on generations of waverider geometry and hypersonic inlet geometry. However, integration efforts of waverider and related air-intake system are restricted majorly around the X43A-like or conical flow field induced configuration, which adopts mainly the two-dimensional air-breathing technology and limits the judicious visions of developing new aerodynamic profiles for hypersonic designers. A novel design approach for integrating the inward turning inlet with the traditional parameterized waverider is proposed. The proposed method is an alternative means to produce a compatible configuration by linking the off-the-shelf results on both traditional waverider techniques and inward turning inlet techniques. A series of geometry generations and optimization solutions is proposed to enhance the lift-to-drag ratio. A quantitative but efficient aerodynamic performance evaluation approach （the hypersonic flow panel method） with lower computational cost is employed to play the role of objective function for opti- mization purpose. The produced geometry compatibility with a computational fluid dynamics （CFD） solver is also verified for detailed flow field investigation. Optimization results and other numerical validations are obtained for the feasibility demonstration of the proposed method.     

受DBD等离子体控制的低速流动数值模拟方法研究

基于正离子、电子和氧负离子的三组分空气DBD等离子体动力学模型和流体动力学方程,利用有限体积方法处理控制方程空间项,采用双时间步方法模拟非定常过程,对DBD空气等离子体动力学模型方程和流体动力学方程松耦合求解,数值模拟了高压交流电源激励的低速空气等离子体流动过程。仔细研究了一个周期中真实时间步长对模拟DBD等离子体形成过程的影响,给出了等离子体的形成历程以及等离子体对低速翼型边界层流动的影响,结果在定性上是合理的。     

静稳定裕度对飞翼布局的影响研究

减小配平损失对于提高飞翼布局升阻比和提升飞行控制能力具有重要意义,因此基于离散伴随优化方法研究静稳定裕度对跨音速飞翼布局减阻优化的影响,分别开展10%,0%,-10% 三种静稳定性设计工况的优化研究。采用自由变形（FFD）方法对非结构表面网格进行参数化,以FFD 控制点为设计变量,通过求解流场和伴随方程得到灵敏度信息;采用序列二次规划SQP 算法获得控制点位移的梯度,然后经过多轮迭代得到优化构型。结果表明：在几何厚度和力矩配平的约束下,离散伴随优化方法可以显著提升飞翼布局的最大升阻比,三种工况下最大升阻比提高都在8% 以上;随着静稳定性裕度减小,定升力系数优化的巡航升阻比增量有所减小,当静稳定裕度为10% 时巡航升阻比提高了5.08%。     

翼梢小翼后缘舵面偏转对机翼气动特性影响研究

以大型客机某方案机翼为基本翼,基于N-S方程数值模拟的方法,研究融合式翼梢小翼后缘操纵舵面偏转对机翼空气动力特性影响。研究发现,翼梢小翼舵面偏使得机翼气动特性发生显著变化。一方面,偏转舵面导致了机翼最大升阻比的降低,然而它可以优化不同飞行阶段升阻比。其中,舵面外偏,机翼在阻力增加不大的条件下,升力明显增大,有利于提高起飞、爬升性能;舵面不偏条件下升阻比最大,有利于提高巡航效率;舵面内偏,机翼阻力明显增大,有利于提高飞机着陆性能。另一方面,舵面偏转可以控制机翼翼梢涡的发展,有助于耗散机翼尾涡及激发翼梢涡自身的不稳定性而加速耗散。     

基于非结构网格空间推进的高超声速飞行器背脊线优化

针对高超声速飞行器背脊线优化进行了研究。结合自由曲面变形(FFD)方法和Hicks-Henne型函数建立背脊线参数化模型,保证了飞行器背部曲面光滑连续。为减少计算耗时,采用非结构网格空间推进方法求解高超声速无黏流场,通过钝锥算例对该方法计算效率和精度进行了参数分析,并对飞行器流场计算进行了验证,对比表明表明:非结构网格空间推进算法计算效率提高4.5倍以上,计算结果与常规时间迭代法符合较好。采用优化拉丁超立方抽样建立响应面模型,分析了各设计变量对目标函数的影响。采用非支配排序NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ)算法以阻力系数和升阻比为目标对背脊线优化,约束飞行器体积变化不超过20%。结果表明,飞行器阻力系数和升阻比呈负相关,优化后阻力系数降低7.1%,升阻比提高16.9%。      

超音速来流中侧向喷流干扰流场的数值模拟

通过求解三维可压缩N S方程组,对尖锥/圆柱组合体模型在超音速绕流中的侧向喷流干扰流场进行了模拟,数值方法采用有限体积法,差分格式采用NND格式。分析了干扰流场的结构,研究了干扰效应对气动性能的影响,得到来流Ma∞=3 3和4 5时力放大因子和干扰力矩系数随攻角变化的规律,计算结果与实验一致。