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。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计

基于定平面形状的密切锥乘波体设计方法能够显著提高传统乘波体的设计灵活性和整体升阻特性。但是该类乘波体在设计时忽略了三维效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,在设计工况下仍会出现溢流,升阻比难以达到最优;另外,这类乘波体仍具有传统乘波体在偏离设计条件下气动特性会出现恶化的不足。因此,有必要在考虑黏性的情况下,针对定平面形状的密切锥乘波体开展全机气动优化设计。结合基于全速域通量求解方法和RANS湍流模型的高精度CFD求解器、鲁棒的结构网格变形方法、自由变形参数化方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,实现了基于离散伴随的高超声速飞行器气动优化设计方法。基于上述方法,针对定平面形状的密切锥乘波体开展了单点和多点的三维整机气动优化设计。在400万多块结构网格、600个设计变量以及303个设计约束条件下,所采用的离散伴随优化方法仅花费2 240CPU小时和3 360CPU小时即完成了三维整机单点和多点的优化设计。结果表明,相较于初始构型,单点优化得到的构型在设计状态下的升阻比提升了近5%;多点优化得到的构型可保证在设计点状态升阻特性没有损失的同时,将非设计点的升阻比提升10%以上,进而在一定程...     

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.     

兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化

发展气动/声爆伴随优化设计方法对于研制新一代超声速客机具有重大意义。典型的气动/声爆伴随优化设计方法分为两种：近场信号的伴随优化和远场声爆预测耦合伴随设计优化。将最新发展的基于离散伴随理论的近场声爆信号反设计与气动特性优化结合,提出兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化策略。首先,概述了伴随方程梯度求解和提出的基于信号射线方法的近场过压提取及目标过压装配过程,并验证了优化流程中近场信号及地面波形预测的准确性。其次,针对超声速民机标模,开展了低阻优化、近场低声爆反设计、兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化三种策略的对比研究,结果表明兼顾气动和近场声爆特性优化策略的伴随优化在综合提升气动和低声爆特性上表现更优。最后与文献中相同算例的优化结果进行对比分析,进一步证明了该优化策略在超声速民机设计中的应用潜力。     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式,并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率,将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计,一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化

采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究,梯度由连续伴随方法计算确定,多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先,采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后,在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化,通过优化叶型和安装角降低流动损失,目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差,优化中对流量进行约束。最后,开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究,改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明,基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。     

基于伴随方程和自由变形技术的跨声速机翼气动设计方法研究

将连续伴随方程法与自由变形技术(Free Form Deform-FFD)相结合开展了跨声速机翼气动外形优化设计方法研究。采用Bernstein基函数建立了空间FFD参数化方法,并应用基于控制理论的连续伴随方程方法建立了目标函数对于待优化几何外形的梯度求解模式,将几何外形参数化方法、连续伴随方法以及CFD数值模拟技术相结合,研究、构建了适合跨声速机翼的气动外形优化设计系统。利用该系统对ONERA M6机翼及某型民用客机机翼进行了气动减阻设计,算例验证表明该方法应用于跨声速机翼气动减阻设计效果明显,并且能较好的保持几何表面连续性和光滑性。     

基于连续伴随方法的高超声速飞行器高精度气动优化

高精度气动优化是改善高超声速飞行器气动性能的必要途径。基于Navier-Stokes方程推导了连续伴随方程以及与气动力目标函数对应的边界条件和壁面灵敏度公式,考虑了层流输运系数变分对伴随方程的贡献,采用基于二阶熵修正Roe格式的伴随对流项离散形式,构造了适用于高超声速流动的连续伴随求解器;结合FFD （Free Form Deformation）参数化方法和SQP （Sequential Quadratic Programming）优化算法构建了高精度梯度优化框架;在高超声速来流条件下对二维翼型和Sanger飞行器机翼优化开展了验证和应用。结果显示,在高超声速流动条件下所采用的伴随对流项离散形式具有较好的鲁棒性和低耗散性;连续伴随求解器能够较好地给出气动力目标函数梯度;优化后Sanger机翼构型通过二次激波压缩实现了减阻增升,升阻比提高5.0%;验证了连续伴随优化作为高超声速飞行器高精度气动优化方法的可行性。     

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

基于离散伴随的层流翼优化设计方法

层流技术是未来发展绿色航空的核心技术,可处理大规模设计变量的高效、鲁棒的优化设计方法是推动层流技术工程应用转化的关键环节之一。基于高可信度RANS求解器,结合准三维层流边界层方程、Drela-Giles和C1准则,建立了可同时捕捉Tollmien-Schlichting(TS)和Crossflow(CF)不稳定性的转捩预测方法,与典型风洞和飞行试验对比,验证了该方法的可靠性。通过严格物面插值、获得准确的间歇因子函数以剔除气动力计算引入的数值噪声,精确推导了考虑转捩的耦合伴随方程,并结合无矩阵存储技术、链式求导法则、反向混合自动微分及Coupled Krylov(CK)算法发展了耦合伴随方程高效求解方法,最终建立了基于离散伴随的层流翼梯度优化设计方法。针对典型客机翼身组合体构型的气动优化显著推迟了转捩,获得了10.48%的减阻收益。优化结果表明,建立的层流翼梯度优化方法能够有效处理多种转捩机制并存的复杂三维层流翼优化问题。     

不同约束条件下跨声速涡轮叶栅伴随气动优化设计

发展了一种简化的基于无反射边界理论的伴随方程进出口边界条件确定方法,研究了考虑不同约束的叶片气动外形优化设计。研究结果表明:采用流动强耦合的简化伴随方程进出口边界条件确定方法,能够确定精度较高的伴随灵敏度,在不同类型的伴随气动优化设计中均具有较好适用性。无约束的出口质量熵优化后,出口质量熵降低0.253%,流道面积和出口气流角变化较大。分别考虑出口气流角气动约束、流道面积几何约束和同时考虑上述两种约束的影响,优化后出口质量熵分别降低0.176%、0.227%和0.164%,优化后叶片气动性能显著提升,且满足约束条件。改变叶型曲率能有效减弱激波强度,吸力面前段曲率降低时,流动减速、出口气流角增大,吸力面前段曲率变化较小时,出口气流角约束较好。      

跨声速轴流压气机转子反问题优化方法

为降低跨声速压气机叶片通道中的激波损失,提升跨声速压气机的气动性能,以三维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了三维反问题设计方法,并对反问题所使用的边界条件进行了改进。在保持叶片总切向载荷不变的同时,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,达到降低叶片通道内部的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,文中运用NASA Rotor 67跨声速压气机转子实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片表面载荷进行分析,在修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶片几何。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用反问题设计方法得到的新叶片,其激波强度明显降低,压气机转子出口流量提高了0.5%,效率提高了1.0%。     

基于离散伴随的流场反演在湍流模拟中的应用

精确模拟湍流流动是学术界和工业界均普遍关注的问题。采用数据驱动湍流建模的思路,建立了基于离散伴随方法的流场反演框架。通过为SA模型涡黏性输运方程的生成项乘以非均匀分布的系数,并利用有限的观测数据对该系数进行推断,实现对SA模型的修正。为了提高带有物理约束的离散伴随优化的效率,发展了约束增广的伴随方法,其高效性在本文得到了验证。选取了结冰翼型和周期山2个分离算例进行分析,所得结果在2个算例中均能以很高的精度拟合观测数据,并能借助湍流模型的修正将有限的观测信息泛化到整个流场。分析表明,流场反演所推断出的修正区域具有较为明确的物理意义,能够指导湍流模型的进一步改进。     

跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法

跨声速层流翼型设计须兼顾优良的超临界特性和自然层流特性,因而对设计方法提出了更高的要求。针对现有反设计方法和直接优化设计方法的不足,发展了一种适用于跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法。该方法引入了基于经验的局部流场特征作为反设计目标,翼型性能指标作为直接优化设计目标,然后加权形成了混合反设计/优化设计总目标,并同时考虑了气动和几何约束。优化算法采用基于自适应并行加点技术的代理优化,流动数值模拟采用耦合基于线性稳定性理论的e^N转捩自动判定的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器。针对现代中短程民用客机需求,以NPU-LSC-72613翼型为基准,开展了层流翼型减阻的混合反设计/优化设计。分别将局部目标压力分布、总阻力作为反设计和直接优化设计目标,得到了较好的优化结果,验证了方法的有效性。经过2轮优化结果显示混合反设计/优化设计总目标显著下降。所设计翼型吸力面局部压力分布与目标压力分布基本一致,总阻力下降15.5%;吸力面和压力面层流范围均大于55%倍弦长,激波强度显著减弱,说明所设计翼型同时具有优良的超临界和层流特性。将所设计翼型配置到机翼上,通过三维数值模拟进行校验,结果显示所设计跨声速层流机翼升阻比提高了6.64%,在一定升力系数范围内,气动性能均有显著提高,验证了所设计跨声速层流翼型在机翼设计中的适用性。     

导弹头部融合旋成体构型实现及气动优化

为解决扁平导弹头部空间利用率低,天线罩加工困难且电气性能差的问题,采用形状函数变换技术(CST)造型法在其前端融入旋成体,并提出“旋成体埋头角”以实现融合区域光滑过渡。CFD计算得到旋成体弹头、扁平弹头、和“旋成体埋头角”为0°~5°时融合弹头的气动性能,结果表明:旋成体弹头、“无埋头”融合弹头和“有埋头”融合弹头的最大升阻比分别为扁平弹头的8158%、8616%和8946%。以最大升力系数和最大升阻比为目标对“旋成体埋头角”为2°和3°的融合弹头进行优化计算,在Pareto前缘中,随着旋成体末端半径从150 mm增大至210 mm,两构型的最大升力系数分别上升599%和416%,最大升阻比分别下降1996%和1839%。此外,当旋成体末端半径小于165 mm时,上述2°构型的最大升阻较大(峰值可达扁平弹头的9779%),反之上述3°构型构型的最大升阻较大。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点,完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计,给设计师提供有力参考,因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先,以大型民用客机为背景,总结了民机气动设计中的关键科学问题,指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性,并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后,分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展,其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后,对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼,对未来发展趋势进行了展望与建议。     

基于壁面压力分布的二元高超声速弯曲激波压缩进气道反设计与优化方法

为进一步提高高超声速进气道的性能,发展了通过指定压力分布规律来反设计整个二元进气道的方法,实现了气动参数可控的进气道内外压缩一体化设计,建立了基于Isight软件的进气道自动化设计分析和优化平台。初步的研究表明,使用此设计方法,能够得到综合性能优秀的进气道设计方案,该方案在来流马赫数6下喉道总压恢复系数为0.68,在来流马赫数4时流量系数达0.77。      

基于全局气动优化方法的跨声速叶栅气动优化

提出了适用于叶栅三维气动设计优化的全局自动气动优化方法.对NASA Rotor 37转子叶栅进行了气动优化设计.利用该叶栅的试验数据校核了计算流体(CFD)程序的可靠性.以等熵效率最高为目标函数,在满足流量约束和总压比约束的条件下,完成了跨声速叶栅的气动优化设计.优化叶栅的等熵效率提高了1.66%,具有优秀的气动性能和变工况性能.优化结果表明,通过优化三维跨声速叶栅的型线和径向基迭方式,可以有效的减小跨声速叶栅的激波损失.      

基于N-S方程和离散共轭方法的气动外形设计

快速准确的目标函数梯度计算方法是基于梯度信息的优化设计的关键技术之一。采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为三维N-S方程。对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法时间推进求解。检验了离散共轭方法计算梯度的准确性,利用该方法进行了机翼的优化设计与反设计,都获得了较好的结果。算例证明了本文方法可靠性好,效果令人满意。