基于多岛遗传算法的二维翼型吸气减阻优化

针对吸气减阻技术吸气质量较大的缺点,采用多岛遗传算法与计算流体力学(CFD)相结合的方法,对吸气减阻技术进行了优化.数值计算采用E387二维翼型,将吸气开口位置和吸气质量通量作为优化参数,通过寻找上翼面最佳的吸气开口位置,使翼型阻力和吸气质量最小.结果表明:多岛遗传算法能够有效地优化吸气开口位置和吸气质量;当吸气开口位于最佳位置时,吸气质量达到了寻优区间下限,而翼型减阻效果可达8.3%;吸气没有延缓流动转捩的发生,翼型阻力减小的原因主要是由于压差阻力的减小.      

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

超临界层流翼型优化设计策略

针对超临界层流翼型设计问题,提出一种两轮优化策略。采用γ-Reθt转捩模型耦合剪切应力输运(SST)模式的湍流模型对翼型边界层转捩进行预测。翼型几何参数化建模采用形状分类函数转换(CST)方法,设计变量为描述翼型几何特征的参数。第1轮优化的目的是尽量提高层流区域的比例,气动分析模型为基于Kriging模型的代理模型,优化算法为遗传算法,通过优化获得满足约束要求的层流翼型。第2轮优化目的是对第1轮优化获得的翼型进行微调,进一步提高翼型的升阻比,气动分析直接采用CFD程序,优化算法采用基于梯度的优化算法。算例表明,应用本文提出的两轮优化策略,可将超临界翼型NASA SC(2)0412优化设计成超临界层流翼型,翼型的上下表面层流区比例分别达到了55.5%和47.0%,升阻比提高了38.1%。     

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

卫星电源系统配置方案的优化设计

对卫星电源系统配置方案进行优化设计是减轻电源系统质量的一条重要途径。以太阳则步轨道卫星为背景,对四种典型的直接能量传输方式的电源系统配置建立了能量传递图,推出了能量平衡方程。在此基础上,建立了以电源系统的质量功率比最小为目标函数的优化模型;以降交点地方时,高峰功耗与长期功耗比和光照区与星蚀区负载长期功率比为设计变量,通过算例对这四种ＤＥＴ方式进行了优化分析比较,归纳出电源系统配置方案的优化设计结论     

空间对接机构结构锁的优化设计

结构锁是实现两航天器空间对接的机电装置.本文在分析结构锁的5种机构方案优缺点基础上,通过优化比较选择了结构简单、自锁可靠的偏心轮加凸轮机构;然后对其在摆正阶段和拉紧阶段进行参数优化,其中在拉紧阶段又分别以负载最大扭矩最小、消耗最大功率最小和动作时间最短3个目标对偏心轮方案的结构锁参数进行了优化设计.结果证明: 经过优化的方案消耗能量最少.      

雷诺数对后向台阶剪切层转捩特性的影响

二维后向台阶分离流动是研究流动分离再附特性及机理的经典物理模型.运用二维时间解析粒子图像测速（PIV,Particle Image Velocimetry）技术,对雷诺数在300~3 000 之间后向台阶分离再附流动进行了二维速度场测量,研究后向台阶层流剪切层转捩位置随雷诺数的变化.研究发现,随雷诺数的增大,再附点的位置不断前移,转捩点的位置随之前移.转捩点在剪切层中的相对位置与雷诺数成反比函数关系.另外,在转捩发生之前,扰动会经历一段线性增长阶段,其空间增长率与雷诺数正相关.     

高碳醇/膨胀石墨复合相变热沉多目标优化

为解决高温工作环境下电子芯片的发热问题，设计采用相变材料（PCM）的控温模块，建立相变材料的控温模块模型。相变材料选择高碳醇/膨胀石墨复合材料。借助FLUENT软件进行数值模拟，探究在相同加热功率下，加热面积对控温时间的影响。对控温模块的几何尺寸进行参数分析，将数值模拟结果用于训练人工神经网络，实现对控温时间的预测。根据芯片发热功耗、芯片尺寸，通过NGSA-Ⅱ多目标优化算法优化控温模块几何尺寸，延长控温时间，降低模块质量。最终得到一系列非支配解集，可根据控温时间需求选择合适的模块尺寸设计。针对长宽为35.4 mm、发热功率为15 W的芯片进行控温模块优化设计。环境温度为80℃，温控目标小于90℃，控温时间180 s，优化后模块减重13.0%，模块内温度与液相分布也更均匀。      

旋翼翼型高维多目标气动优化设计

先进旋翼翼型设计是典型的多设计点、多目标优化问题,常规优化方法已无法满足翼型高维多目标优化设计的要求。基于分解的多目标优化算法（MOEA/D）,建立了考虑高低速升阻特性、力矩特性、阻力发散特性等的旋翼翼型高维多目标优化设计方法,并采用高精度kriging模型以提高优化设计效率。针对旋翼内段、中段翼型进行了5个设计目标的全局优化设计,采用自组织图映射（SOM）方法对最优Pareto解集进行了聚类分析。典型翼型CFD结果分析表明,中段翼型低速力矩系数幅值减小约50.7%,高速最大升力系数提高约6.5%,最大升阻比提高约7.7%,同时阻力发散特性得到改善,内段翼型同样取得了良好的多目标优化效果。研究表明,MOEA/D算法对高维多目标气动优化设计问题具有很好的适应性,能有效提升旋翼高低速气动性能设计的能力。      

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响,飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究,利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量,并结合热流测量结果,研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%;高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程,试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

上游双扰动对圆柱气动特性影响的数值模拟

通过用商用计算流体力学软件FLUENT 6.0中的SIMPLE方法求解二维非定常层流模型,对雷诺数Re=200时上游双扰动体对下游圆柱气动特性影响进行了数值模拟研究.计算结果表明当双扰动体相隔较近(H/d=1.1,1.33)时,其后形成单一的Karman涡街,它们对下游圆柱的干扰作用类似于单扰动体时的情况,但是流动结构发生变化的临界间距Lcri较之有效宽度相同的单扰动体的要大,因此可以推断出在该种布置下双扰动体和圆柱绕流会出现2种流动模式.在空穴流动模式下面,下游圆柱的阻力和升力脉动最多减小94%和79%,系统阻力(包括圆柱和扰动体)也能减小33%.而当双扰动体尾流为双Karman涡街时(双扰动体相隔较远H/d=3.33,5.0),圆柱迎风面部分区域仍受到来流的冲击作用,气动力减小有限.     

吸气式电推进系统可行条件分析

吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件,采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式,讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明,在轨高度180~240km,航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2,电推力器比冲需大于4×104m/s,方可满足推阻平衡需求。分析得出,实现吸气式系统在地球轨道的运用,关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗,同时电推力器的效率还需进一步提升。     

Unsteady drag measurements for flow over a circular disk

对垂直于来流方向的圆盘进行非定常测力实验,研究上游二维干扰圆杆和圆盘绕流雷诺数(雷诺数范围为0.44×10⁵~2.74×10⁵)对圆盘阻力及其脉动特性的影响.实验结果表明,无论有无上游干扰,圆盘平均阻力系数均不随雷诺数改变.上游干扰圆杆在降低圆盘阻力系数的同时,使圆盘阻力脉动量增大,而且当圆盘绕流雷诺数大于1.84×10⁵时阻力脉动量的增幅将随雷诺数的加大而迅速增加.对圆盘阻力的频谱分析表明,在圆盘上游无干扰时,圆盘绕流形成的螺旋状涡引起的非轴对称波动频率(斯特劳哈尔数为0.135)为阻力脉动的主频.     

倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线

建立了典型三点式倾转旋翼无人机动力学模型,针对过渡过程,开展最优倾转角曲线研究以减小横侧控制耦合对纵向运动影响和过渡过程能耗。基于倾转角曲线对过渡过程的影响分析,提出了改进运动剖面算法对倾转角曲线进行参数化设计;并提出两阶段优化方案来对参数进行优化。第1阶段,综合考虑横侧控制耦合度最低和过渡过程能耗最小目标,以曲线参数为优化变量,构建了最优倾转角问题模型,采用遗传算法进行优化求解。第2阶段,引入舵机动力学模型,考虑过渡时间和系统超调进一步优化以减小结束阶段的超调。与2种现有典型倾转角曲线对比结果表明:给定过渡时间,设计的最优倾转角曲线有效地降低横向控制耦合程度和过渡过程的能耗,且减小结束时超调。      

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.      

前缘吹气控制舵面流动分离

针对各种飞行器大舵偏下出现的流动分离问题,在北航D4风洞对旨在消除舵面流动分离的舵面前缘吹气技术进行了研究,为了降低控制分离所用的吹气量,吹气点设置在舵面前缘气流分离点处.应用粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术,分析了舵面绕流在吹气量由小变大过程中所经历的3个不同演化阶段;由测压得到的舵面压力分布则显示,前缘吹气造成的引射作用使前缘吸力峰随吹气量增大而增大,这是前缘吹气能够使舵面升力增大的主要机理.实验结果还表明,前缘吹气可明显提高舵面升力,同时也可以显著降低舵面阻力.     

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。