动力干扰下宽体客机机翼多目标优化设计

在机翼/机身/吊挂/动力短舱（WBPN）构型中开展了宽体客机机翼外形多目标优化设计。通过对动力短舱流场的动量积分，分析了直接用壁面积分"阻力"作为机体外形减阻优化设计目标函数的合理性。计算研究了短舱/吊挂的安装，以及发动机喷流对翼吊布局宽体客机机翼的干扰作用，展示了同时在安装效应和喷流干扰下设计机翼外形的重要性。运行搭建于超级计算机上的优化系统，求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程计算流场，实现了动力干扰下机翼外形的三点三目标优化设计。在80 h内，完成了近20 000个方案的计算评估，遗传优化近40代。所选的最优方案阻力发散性能明显提高，自动优化后的人工修形设计使机翼剖面展向过渡和压力分布形态更为理想。动力构型下取得的减阻效果，在通气短舱构型下亦得到验证和确认。     

基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究

工程环境中,飞机气动力设计面临在多个目标和多种约束条件下寻找最优值,需在较短时限内完成设计优化,并保证最终方案可靠。基于高性能计算环境,采用现代计算流体力学(CFD)数值模拟技术和优化技术等构建了面向实际工程的飞行器气动多目标优化设计平台:采用基于非均匀有理B样条(NURBS)方法的自由曲面变形技术,实现对工程复杂气动外形的参数化表达;采用网格变形技术,实现优化过程中计算网格的自动更新;采用基于有限体积方法和多块结构网格的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程并行解算器进行气动力求解;采用基于精英保留策略的非支配排序的多目标遗传算法(NSGA-II)进行多目标全局优化求解;采用非线性单纯形算法进行局部优化求解,优化过程中,通过人工调整优化种群,引入人工经验,构建"人在回路"的设计流程。以某翼型/机翼气动力优化设计为例对该平台技术进行验证:多目标优化设计可得到清晰的Pareto前沿解分布;优化后的翼型/机翼在满足各项约束的前提下,具备更高的综合气动性能。结果表明:所发展的气动多目标优化设计平台具有很好的工程适用性。     

跨声速飞机高可信度多设计点多约束气动优化设计技术研究

本文目的是研究和开发工程实用的高可信度数值优化设计技术,并应用于先进跨声速飞机机翼的三维气动外形优化设计。本文综合应用了自由几何变形(FFD)几何外形参数化方法、弹簧比拟非结构网格变形方法、基于RANS方程的高可信度计算流体力学(CFD)分析方法、径向基函数(RBF)代理模型方法、粒子群寻优(PSO)方法等技术,分别对NASA CRM模型、航空工业设计的W2机翼模型展开了单设计点和多设计点的三维气动外形优化设计。通过对单设计点优化设计后的CRM翼身组合体、双设计点优化设计后的W2机翼模型气动外形进行详细的气动分析,发现优化后的CRM翼身组合体、W2机翼模型相对初始外形气动性能得到显著改进,证实了数值优化设计技术应用于先进跨声速飞机机翼三维气动外形设计的有效性。同时证实了开发的数值优化设计技术和工具的正确性和实用性。     

高性能计算支持的静气弹优化设计方法

为扩大国产超级计算机在国内航空航天工业领域的应用,面向大展弦比机翼气动结构综合优化设计的实际问题,基于具有大量工业应用和自主知识产权的CFD软件TRIP和CSD软件SiPESC,应用改进的三维类别/形状变换（CST）参数化方法、差分敏度并行计算策略和移动渐近线（MMA）等大规模优化算法,通过TRIP+SiPESC耦合气弹分析软件预测气动载荷,发展了一套机翼型架外形的优化设计方法。以CRM标模内插机翼为例,针对无弯扭的初始型架构型,以气动外形展向几何扭转分布和结构有限元模型一万个壳单元厚度为设计变量,实现1 g载荷气动优化和2.5 g载荷结构优化的综合;在不降升阻比、满足最大应力/位移的约束下,俯仰力矩系数改善近40%,针对本文假设材料和初定的尺寸参数,机翼减重近9%,验证了方法和软件的有效性。该方法直接采用产品级高保真的自主静气弹分析软件预测气动力/载荷,将计算资源耗费大的静气弹优化和设计变量/约束规模大的结构优化分治,有较好工程应用前景。     

离散伴随方法在气动优化设计中的应用

针对工程问题中大规模设计变量难以进行快速优化的难题,在自研流场解算器(WiseCFD-UG)基础之上,发展了基于离散伴随方法的梯度计算模块,实现了目标函数对大规模设计变量的快速精确梯度求解.此外,结合FFD参数化、线弹性体网格变形,优化算法等模块建立了气动优化设计系统.运用系统对M6机翼和CRM翼身组合体构型进行定升减阻优化设计,结果表明:机翼表面的压力分布得到了显著改善,表面激波得到不同程度的消除或减弱.气动优化设计系统有效可靠,具有一定的工程应用价值.     

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少.基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析.结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变.     

基于动网格高空长航时机翼优化

分析了机翼设计优化的一般策略,针对高空长航时飞行器的气动性能需求和机翼构型特点,提出以机翼剖面翼型沿展向分布的设计优化;针对Hicks-Henne翼型参数化方法后缘不光顺的缺陷,提出了改进Hicks-Henne翼型参数化方法;针对通常基于线性插值的三维动网格生成方式的缺陷,提出采用基于B样条函数的三维动网格生成;通过对商业软件Pointwise和Fluent的二次开发实现数据流和工作流的定制及自动化,并将所有流程在iSIGHT平台下集成;优化算例表明,基于动网格的机翼优化实现提高功率因子的目标,是高空长航时机翼优化中的一种有效方法。     

大展弦比机翼气动外形设计方案研究

根据传统机翼气动外形设计的方案,结合CAD与CFD软件,本文提出了一套机翼气动外形设计流程,包括翼型选择、机翼平面参数确定、建立三维机翼外形模型、流场网格划分和典型飞行条件下的气动计算等多个部分。依据该流程,完成了一个满足设计指标的无人机大展弦比机翼外形的设计,充分说明了该机翼气动外形设计流程的技术可行性。     

CRM翼/身/平尾组合体模型高阶精度数值模拟

基于五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了CRM翼/身/平尾组合体模型的高阶精度数值模拟,以评估WCNS格式对复杂外形的模拟能力以及典型运输机巡航构型阻力预测方面的精度。首先依照DPW组委会提出的网格生成指导原则,利用ICEM软件生成了粗、中、细3套网格,对应的y⁺分别为1、2/3和4/9。通过对CRM模型的计算和分析,研究了网格规模对气动特性、压力分布和翼根后缘局部分离区的影响。通过与DPW4统计结果和部分实验结果的对比,高阶精度数值模拟结果表明,本文的气动特性计算结果与统计平均结果吻合较好;网格密度对机翼内侧的展向站位压力分布影响较小,对机翼外侧展向压力分布影响较大;网格密度对翼根后缘局部分离区略有影响。     

DPWⅢ机翼和翼身组合体构型数值模拟

采用亚跨超CFD软件平台(TRIP)数值模拟了DPW Ⅲ提供的DPW_W1/W2两种机翼构型和DPW-F6/F6_FX2B两种翼身组合体构型,主要目的是通过两种机翼构型和两种翼身组合体构型的数值模拟,研究网格密度对运输机构型气动特性计算结果的影响。数值模拟采用的多块对接网格来自AIAA CFD Drag Prediction Workshop Ⅲ(DPW Ⅲ),采用National Transonic Facility(NTF)的试验结果和CFL3D的计算结果作对比。详细研究了网格密度对两种机翼构型和翼身组合体的总体气动特性和压力分布的影响。采用SST两方程模型计算两种构型均得到了网格收敛结果,网格密度主要影响压差阻力而对摩擦阻力影响较小,计算结果较好地预测了机翼和翼身组合体外形优化前后总体气动特性的变化量。