轴对称短舱自然层流优化及转捩敏感性分析

大涵道比涡扇发动机短舱摩擦阻力大,高雷诺数下通过自然层流技术（NLF）减小短舱表面摩擦阻力是降低短舱总阻力的一种有效措施。为了提高气动优化效率,发展了一种进化/确定性混合优化算法,并结合六阶形状类别变化函数（CST）参数化方法和■转捩模型,对高雷诺数几何约束下的轴对称短舱进行自然层流优化设计。为了分析层流范围的变化规律,对设计的轴对称层流短舱开展了局部几何控制参数、流量系数（MFR）和马赫数（Ma）的敏感性研究。结果表明：混合优化算法能够显著提高优化效率,并成功应用于短舱气动外形优化中。在单变量几何参数影响下,短舱外形头部区域对压力分布和层流范围的影响最为显著,是层流设计的重点关注区域。流量系数和马赫数的变化使得层流范围波动较大,设计的短舱在设计点 MFR=0.7和 Ma=0.85附近,能够保持20%以上范围的层流。     

考虑三维流动效应的自然层流短舱压力分布反设计

针对三维流动效应下非轴对称自然层流（NLF）短舱设计困难的问题，发展了一种基于机器学习技术的压力分布反设计方法。短舱参数化建模使用自由曲面变形技术（FFD），通过求解RANS方程和基于SST(Shear Stress Trans‐port）湍流模型的■转捩模型实现自然转捩预测，利用生成拓扑映射（GTM）模型建立短舱外形及其压力分布数据集与低维隐空间变量的映射关系，全局优化算法在隐空间高效寻优，获得与目标压力分布匹配的短舱气动外形，实现自然层流短舱的反设计。GTM模型建立了数据集在高低维度间的高精度映射关系，优化设计过程中无需反复调用CFD求解器，设计效率大幅提升。利用该方法对通气短舱进行三维优化设计，设计所得非轴对称短舱外表面的自然层流区最大长度达当地弦长的40.5%，比优化前延长了12.2%，验证了该方法在考虑三维流动效应下NLF短舱的优化设计能力。     

基于双eN方法的短舱层流转捩影响因素

发展自然层流短舱对提升现代民机的经济性和环保性具有重要意义，而对影响短舱层流转捩的因素进行研究有助于更好地开展短舱的层流设计。本文基于线性稳定性分析方法，将双e^N方法同RANS方程求解器耦合，建立了一套可同时计算T-S（Tollmien-Schlichting）波和横流（CF）驻波诱导转捩的流动转捩预测方法，通过标准椭球算例验证了该方法的正确性，进而研究了来流马赫数、雷诺数、湍流度以及迎角对短舱转捩的影响。结果表明：马赫数和迎角会带来压力梯度的明显改变从而引起转捩位置发生变化；而在此构型的高雷诺数工况下，雷诺数和湍流度对转捩位置影响相对较小，转捩位置移动的区域不超过短舱长度的5%。因此在设计阶段，在高雷诺数条件下保持层流设计要尽量避免较大的逆压梯度，保持顺压梯度。     

基于EFFD方法的自然层流短舱优化设计

采用extended free-form deformation(EFFD)方法研究了自然层流(natural laminar flow,NLF)短舱的气动外形优化设计方法.使用基于Bernstein基函数的EFFD方法完成了NLF短舱剖面的参数化,利用基于k-εSST(shear stress transport)两方程湍流模型的γ-θ转捩模型进行自然转捩预测,结合EFFD、一种混合动网格方法、Kriging代理模型和改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)建立了针对NLF短舱气动外形的优化设计框架.采用该框架分别对通气NLF短舱和带动力NLF短舱进行优化设计.单独通气NLF短舱优化结果的外表面实现48%的层流,阻力系数比初始通气NLF短舱减小了0.0003.带动力NLF短舱的优化结果外表面保持了41%的层流.这些结果表明采用相关技术建立的优化设计框架在NLF短舱设计中具有一定应用价值.     

Gamma-Theta转捩模型在绕翼型流动问题中的应用

在非结构RANS求解器上实现了完全基于流场当地变量和转捩经验关系式的γ-Reθ转捩模型,并利用该模型对S809和NLF0416两种翼型在中等迎角以及大迎角下的低湍流度绕流问题进行了计算.计算结果表明该模型可以准确地预测自然转捩、分离泡转捩和再层流化等各种转捩现象,中等迎角下预测的转捩发生位置和升阻力系数与实验吻合较好,大迎角下该模型也捕捉到了前缘分离泡.同时计算结果也表明该模型预测结果受物面流向网格密度和对流项数值离散格式影响较大,计算时须加以注意.     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标,层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言,超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力,提升气动性能,减少燃油消耗和污染物排放。首先,基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统,实现超临界自然层流翼型设计;经过合理的翼型配置,形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明,超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后,以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验,使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后,通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果,探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律,总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外,该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

高超声速圆锥边界层转捩数值研究

以类似于处理湍流脉动的方式来模型化非湍流脉动,考虑湍流的间歇性特征及引起超声速流动失稳机制,研究包括转捩起始位置及转捩区范围的高超声速流动转捩问题,发展可反映扰动模态和可压缩性影响的两方程SST转捩/湍流模式.针对尖锥模型,在马赫数6、攻角O°～2°时,采用第二模态(Second-mode)机制,预测并比较完全层流态、完全湍流态,以及自然转捩发展过程中的表面热流、表面摩阻等气动特性.     

压气机静叶栅层流分离泡转捩与角区分离数值模拟与实验

采用γ-Reθ转捩模型对某可控扩散叶型(CDA)平面叶栅全攻角范围进行了三维数值计算,通过对比数值计算结果与叶栅实验吻合较好。在此基础上,分析了进口来流湍流度和雷诺数变化对叶栅表面层流分离、转捩以及角区分离的影响。结果表明:进口湍流度低于5%时,吸力面存在层流分离,当进口湍流度大于5%后,层流分离移除,但转捩会一直存在;随着进口湍流度或雷诺数增加,吸力面和压力面转捩位置均会前移;随着进口湍流度增加,吸力面角区分离会有所减小,雷诺数增加对角区分离的影响不大。      

喷气式客机层流翼气动设计综述

层流技术是未来发展“绿色航空”的核心技术,巨大的减阻潜力使其成为航空领域内的研究热点。从喷气式客机具有的流动物理特征和转捩现象本质出发,阐述了自然层流(NLF)和混合层流(HLFC)技术的实现原理和适用范围,综述了国际上NLF/HLFC技术的研究现状及发展趋势。围绕基于CFD的层流翼设计技术前沿问题,从面向工程应用的转捩预测方法、非梯度类优化、梯度优化以及不确定性分析和鲁棒优化多个层面,系统论述了层流翼设计方法的研究现状和最新进展。同时,讨论了层流翼气动设计与全湍流气动设计问题的异同点,梳理了NLF和HLFC机翼气动设计理论。最后,顺应喷气式客机技术发展趋势,总结了层流设计技术面临的问题,给出了层流翼气动优化设计技术的未来发展方向和建议。     

MF-1模型飞行试验转捩结果初步分析

中国空气动力研究与发展中心于2015年12月在中国酒泉卫星发射中心成功实施了MF-1航天模型飞行试验,试验模型为锥-柱-裙轴对称体,半锥角为7°。这是我国首次针对高超声速空气动力学基础问题研究的航天模型飞行试验,飞行最大马赫数5.3、最大高度63.4km,飞行迎角上升段0.5°、下降段5°。采用薄壁测温技术测量了锥面上50个点的温度数据,并采用三维热辨识方法给出了热流数据,从而判别转捩。初步分析表明,所获取的真实飞行条件下的上升段和下降段的转捩数据是可靠的,可用于验证与标定转捩预测模型;同时验证了现有转捩预测模型对于超声速/高超声速小攻角圆锥转捩起始点预测的可行性;发现了上升段湍流-层流的再层流化与下降段层流-湍流转捩的临界高度差别,以及约0.2mm的阶差即有可能诱发强制转捩。     

Numerical optimization of transonic natural laminar flow nacelles

Natural laminar flow nacelle is a promising technology for drag reduction. In this paper,an optimization platform is established for the design of transonic axisymmetric and threedimensional natural laminar flow nacelles for large civil aircraft. The platform adopts the class/shape transformation method for geometric parameterization, a four-equation transition model for transition prediction, and the differential evolution algorithm combined with the radial basis function surrogate model as the...     

Adaptive-surrogate-based robust optimization of transonic natural laminar flow nacelle

Natural Laminar Flow (NLF) technology is very effective for reducing the skin friction drag of aircraft engine nacelle, but the aerodynamic performance of NLF nacelle is highly sensitive to uncertain working conditions. Therefore, it’s imperative to incorporate uncertainties into the design of NLF nacelle. In this study, for a robust optimization of NLF nacelle and for improving its efficiency, an adaptive-surrogate-based robust optimization strategy is established, which is an iterative optimization process where the surrogate model is updated to obtain the real Pareto front of multi-objective optimization problem. A case study is carried out to validate its feasibility and effectiveness. The results show that the optimization increases the favorable pressure gradient region and the volume ratio of the nacelle by increasing its lip radius and reducing its maximum diameter. And the aerodynamic robustness of the NLF nacelle is mainly determined by the lip radius, maximum diameter of nacelle and location of the maximum diameter. Compared to the initial nacelle, the optimized nacelle maintains a wide range of low drag and high laminar flow ratio in the disturbance space, which extends the average laminar flow region to 21.6% and facilitates a decrease of 1.98 counts in the average drag coefficient.     

Performance of wavecatcher intakes at angles of attack and sideslip

A wavecatcher type scramjet intake, that reduces the Mach number number from 4 to 1.552, is used as the basis for a study of flow starting/unstarting as affected by freestream angles of attack and sideslip. The intake design is based on a morphed streamtube consisting of two conical flow streamlines using streamline tracing and osculating axisymmetric design theory. Intake flow and performance is modeled using the numerical CFD code and the k-ε turbulence model. The intake unstarts at a sideslip angle of 2°, a positive angle of attack of 1°. Both positive angle of attack and sideslip angle have an adverse effect on the startability of the MBus intake. At negative angles, the intake initially unstarts at −5° angle of attack, due to the thickened shear layer induced by the streamwise vortex. Then it re-starts at −8° angle of attack, mainly due to the expansion fan formed at the leading edge, causing the shock wave structures inside the intake to be re-established.     

Robust design of NLF airfoils

 A robust optimization design approach of natural laminar airfoils is developed in this paper. First, the non-uniform rational B-splines (NURBS) free form deformation method based on NURBS basis function is introduced to the airfoil parameterization. Second, aerodynamic characteristics are evaluated by solving Navier-Stokes equations, and the γ-Re_θt transition model coupling with shear-stress transport (SST) turbulent model is introduced to simulate boundary layer transition. A numerical simulation of transition flow around NLF0416 airfoil is conducted to test the code. The comparison between numerical simulation results and wind tunnel test data approves the validity and applicability of the present transition model. Third, the optimization system is set up, which uses the separated particle swarm optimization (SPSO) as search algorithm and combines the Kriging models as surrogate model during optimization. The system is applied to carry out robust design about the uncertainty of lift coefficient and Mach number for NASA NLF-0115 airfoil. The data of optimized airfoil aerodynamic characteristics indicates that the optimized airfoil can maintain laminar flow stably in an uncertain range and has a wider range of low drag.     

弹用“X”,型倒置二元进气道方案与常规正置方案的气动性能对比

为提高来流马赫数范围为2~4的“X”型进气系统大攻角下的稳定裕度,设计并研究了一种倒置二元进气道设计方案,并将其与正置方案进行了比较。结果表明:来流马赫数为2.3~3.5,攻角范围为0°~6°时,倒置布局设计方案总体性能较优,未出现明显激波/附面层干扰问题,能够满足设计要求。在采用相同的进气道设计方案时,倒置布局其迎风与背风进气道结尾激波位置及总体性能参数差异更小;0°攻角时倒置布局临界总压恢复系数与正置布局相当,4°攻角时倒置布局比正置布局高2%~3%,8°攻角时普遍高19%以上,且来流马赫数越高提升幅度越明显,8°攻角下倒置布局总流量系数较正置布局高6%左右。研究还发现,当来流马赫数较低时倒置布局总阻力低于正置布局, 4°攻角时低1.7%;而来流马赫数较高时倒置布局总阻力高于正置布局,4°攻角时高2.0%。      

曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法研究

为了进一步提高短舱内外流的气动性能,基于类别形状函数方法建立了曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法。主要思路是先设计关键截面型线,再设计纵向型线,最后通过纵向型线周向有序组合建立气动型面。为评价所建立的短舱气动型面设计方法的适用性,从曲率半径分布、主要工况下的流动特性和气动性能三个方面对所发展的方法和基于圆锥曲线的方法设计的超大涵道比(UHBPR)短舱进行了对比研究。结果表明：与基于圆锥曲线的方法设计的短舱相比,所建立的方法设计的短舱气动型面不存在轴向曲率半径波动。由于消除了曲率波动引起的短舱壁面附近局部过度加速形成的高速低压区,在马赫数为0.8的巡航条件下外罩壁面局部阻力降低了4.5%；在马赫数为0.82的飞行工况下,外罩壁面局部阻力降低了5.5%。进气道气动型面设计方法的改进,使得大攻角爬升条件下进气道总压恢复系数提高了0.41%,稳态周向总压畸变指数减小了8.82%。     

飞翼布局无人机保形非对称S弯进气道设计及优化

基于国产动力约束及隐身设计要求,针对飞翼布局无人机双发动机布局进行了保形S弯进气道设计,为进一步提高进气道性能,开展了进气道优化设计研究.首先利用CFD（计算流体动力学）方法对保形进气道风洞模型进行验证,然后结合参数化建模和网格自动生成技术进行CFD数值模拟,最后利用RBF（radial basis function neural network）代理模型及多岛遗传算法开展进气道优化设计.结果表明:①优化后进气道性能有所改善,尤其表现在4°迎角之后性能明显提升,Ma=0.6下4°迎角时总压恢复系数提高了5.46%,畸变指数降低了38.7%;②优化后进气道截面积分布相比初始构型在前段更缓和而后段略微升高,中心线则在前1/3段与初始构型基本一致,之后曲率变化更加平缓;③保形进气道在出口截面具有较强的二次流,侧滑角对于此类进气道在小迎角下影响较小而大迎角时影响较大,设计时应关注大迎角时侧滑特性.