多区域自由变形技术在短舱安装位置减阻设计中的应用研究

为了进行短舱安装位置参数的减阻优化设计研究,首先在NURBS样条基函数的基础上建立了多区域自由变形(FFD)技术,通过对FFD控制体框架边界条件的合理选取建立组合框架,实现了多个控制框架对复杂外形不同区域的自由变形参数化,采用多个控制框架的空间控制体对某型客机短舱安装位置进行减阻优化设计。试验设计取样之后应用随机权重粒子群算法和Kriging代理模型建立气动外形优化系统,对某型客机短舱水平位置和水平安装角进行气动优化设计。优化设计结果表明,设计后的短舱位置使得整个飞机在一定攻角范围内的阻力显著减小,从而证明了基于多区域自由变形技术建立的优化设计系统是合理和实用的。     

考虑机翼尾流影响的运输类飞机后体气动外形优化设计（英文）

在某典型运输机翼身组合体的构型上,进行了考虑机翼尾流影响的机身后体气动外形优化设计研究。基于翼身组合体构型建立了考虑尾流影响和部分工程约束的优化设计系统,并对后体构型在巡航状态下进行了优化设计。以比较适合描述后体变形的NURBS样条基函数为空间控制体属性引入FFD自由变形技术,通过在FFD控制框架对该运输机后体进行了空间属性构建。采用无限差值动网格技术提高空间网格的更新效率并保证网格质量。利用改进Kriging代理模型、量子粒子群优化算法提高优化效率和全局寻优能力。为减小巡航阻力,对某运输机后体的上翘角、截面形状等参数进行了优化设计,优化结果显示,设计后的机身气动特性明显提高。     

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FFD技术的大型运输机上翘后体气动优化设计

利用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由变形(FFD)参数化方法,进一步结合无限插值(TFI)变形网格技术、二阶振荡粒子群优化(PSO)算法以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术,构建了通用的气动外形优化设计系统.采用该系统对C17运输机上翘后体进行气动优化设计,在满足后体最大宽度、高度以及上翘角不减小的情况下,巡航状态减阻2.6％,压差阻力减小19.8％.流态分析显示,优化后体阻力减小的主要原因是后体截面近圆度的增加以及近圆度沿机身轴线的变化量的减小使得后体周向逆压梯度减小所致.研究结果表明本文建立的基于FFD技术的气动优化设计系统对于大型运输机上翘后体的气动优化设计具有较好的实用性.     

民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计

针对典型跨声速民用客机的机翼/机身/平尾构型开展了基于离散伴随技术的气动外形优化设计方法研究,并采用自由型面变形(FFD)技术在优化设计过程中进行平尾的整体偏转,以实现最终设计结果全机俯仰力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随技术求解气动参数对设计变量的梯度,使梯度求解计算量与设计变量个数实现解耦,提高了优化效率。应用FFD技术对全机构型进行整体参数化,可通过FFD控制体控制机翼外形的变化以及平尾偏转,在实现机翼优化设计的同时通过偏转平尾来进行力矩配平,避免了单独优化机翼外形可能带来的额外配平阻力。采用序列二次规划算法进行基于梯度的优化设计并处理大规模的约束条件。以Drag Prediction Workshop IV Common Research Model作为初始构型进行了有/无力矩配平约束的优化设计,并在优化过程中施加升力约束以及几何约束。算例结果表明,优化后的气动外形显著改善了机翼表面压力分布,消除了激波,在力矩配平约束下的算例中,通过平尾的偏转实现了俯仰力矩配平下的机翼优化设计。     

应用Delaunay图映射与FFD技术的层流翼型气动优化设计

采用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由式变形(FFD)翼型参数化方法,进一步结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式,通过粒子群优化(PSO)算法进行参数化方法、网格变形模式以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术之间的整合,研究、构建了气动优化设计系统,并对某型层流理念设计的高空长航时(HALE)飞机基本翼型进行气动优化设计。气动特性目标函数评估方法中,边界层转捩数值模拟技术采用γ-Re_θt转捩模型耦合剪切应力输运(SST)模式湍流模型。优化设计后翼型气动特性表明:采用相关技术建立的层流翼型气动优化设计系统对于层流理念设计的HALE飞机翼型的设计具备较高的优化效率。     

直接操作FFD技术在翼型气动优化设计中的应用

几何外形参数化技术在飞行器的气动外形优化设计以及多学科优化设计中是影响其结果和效率的重要因素之一。针对自由变形技术(FFD)无法直接操纵几何外形表面指定点位移的局限性,开展了直接操作FFD技术在翼型参数化及翼型气动优化设计中的应用研究。建立了由翼型表面控制点的位移反求各个FFD控制点位移的求解模式,有效地降低了高阶FFD控制体进行翼型参数化的参数个数,并且具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性。运用该技术对于跨音速翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力。     

基于FFD与网格重构的飞翼无人机外形优化设计

为了使气动优化适应外形大尺度变化和外形高效参数化的需要,将外形高效参数化建模方法(FFD)与适合外形剧烈变化的网格重构方法相结合,对飞翼无人机外形完成了气动优化设计。外形参数化建模采用自由变形法(FFD),网格生成基于贴体笛卡儿自动网格重构技术,通过优化设计使飞翼无人机的气动性能得到了有效提升,布局升阻比增加了7.9%。优化结果表明,基于该技术的气动优化设计方法对大尺度变化外形具有良好的适应性。     

超临界翼型稳健型优化设计研究

基于标准遗传算法、RBF神经网络以及类函数/型函数变形技术建立了翼型气动优化设计系统,在选取3次CST方法即分别对翼型上下表面采用4个设计变量进行参数化,对某型客机基本翼型在给定设计指标下进行优化设计,分别研究了巡航状态下的气动优化,以及结合蒙特卡洛分析方法马赫数随机平均分布下的翼型稳健型优化设计。结果显示,优化后的翼型的气动特性有着显著提高。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

基于DFFD技术的翼型气动优化设计

开展了直接操作自由变形（DFFD）技术在翼型参数化及翼型气动外形优化设计中的应用研究,应用该方法可以对翼型形状进行直接操纵和精细的局部修型,从而在一定程度上克服了自由变形（FFD）技术无法直接指定几何外形变形量的局限性。通过最小二乘模式根据翼型表面直接操作点的位移求解各个FFD控制点相应的位移,将翼型设计参数从FFD控制点转化为翼型表面的直接操作点,从而有效地减少了高阶FFD控制体进行翼型参数化时的设计参数个数。算例表明,相比于FFD方法,DFFD方法不仅具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性,并且比FFD方法具有更好的局部变形特性。运用该技术结合遗传算法对RAE2822翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力,并且可以有效施加如前后梁位置翼型厚度等工程实用的几何约束,证明了该方法的有效性。     

Definition of Wingtip Devices Shape and Dimensions for a Subsonic Airliner

The results of flow field numerical simulation on the typical wing-body prototype of the modern DLR-F4 airliner under sub- and transonic compressible air flow are presented. Using the DLR-F4 CAD model, the effect of the wingtip end plate area and of the cant angle of a typical Whitcomb winglet is studied. The dependencies of the model lift-to-drag ratio increment on the flat wingtip end plate relative area and on the cant angle of an airfoil Whitcomb winglet are obtained. The concept of an elliptic winglet with a variable cant angle that similar to the winglet used on Airbus A350 is studied. A technique is developed for solving the multi-parameter design optimization task for the Whitcomb winglet, taking the maximum lift-to-drag ratio of the wing as a criterion for optimization.     

一种新型商用飞机翼梢小翼设计及优化

翼梢小翼可以有效的减小耗散飞机的翼尖涡,减小诱导阻力,从而达到商用飞机减阻增升、节省燃油的目的。本文研究分析了blended winglet和raked wingtip两类小翼的特点,设计了综合这两类小翼特性的翼梢小翼,具有结构简单,增加的有效翼展小、适合于中小型机场特点。同时研究了bladed wingtip形式翼梢小翼的设计原理、设计方法及流场特性。采用的外形参数化设计及自动生成程序方法通过小翼的前后缘来确定小翼的几何形状,具有快速生成外形、易实现优化设计、工程设计效率高等特点。本文设计的bladed wingtip形式的翼梢小翼具有设计点压力峰值低、没有激波、翼尖不易先分离、在增加的有效展长很小的情况下仍有较好的减阻效果等特点。     

超临界机翼气动设计的准则、流程和设计实例

以计算空气动力学为基础,提出超临界机翼的气动设计准则和设计流程。翼型设计准则是:非设计状态音速区压力平坦;延迟后缘分离;设计状态迎角接近于零和局部最小厚度约束等。机翼设计准则是:在约束条件下诱阻最小;满足纵向稳定性要求;上翼面等压线型态和考虑结构弹性变形等。设计过程可分为两个阶段,即总体优化和机翼气动设计优化。后者的步骤是基本翼型设计、初始机翼外形设计、机翼巡航外形设计和机翼型架外形设计。对设计实例进行风洞试验后表明:尽管新机翼的平均厚度比某干线运输机厚14％,但安装该机翼的干线运输机巡航效率仍比前者高12％。     

CFD在概念-初步设计阶段三维气动外形优化中的应用

在飞行器概念-初步设计阶段,建立基于CFD的气动优化链对于提高优化计算的效率具有较好的工程应用价值。使用德国宇航院开发的CPACS数据格式给出飞行器平面形状,结合NURBS翼型参数化方法对飞行器几何外形进行参数化;自动生成计算网格并求解Euler方程数值模拟流场以评估参数化气动外形的气动特性,进而构建响应面模型;使用SQP梯度算法搜索响应面模型以获取满足约束的最优解。以Onera M6机翼为例,对该优化链进行验证。结果表明:在满足约束的条件下,基于CFD的气动优化链能够成功地进行气动外形优化。     

Aerodynamic design optimization of nacelle/pylon position on an aircraft

The arbitrary space-shape free form deformation (FFD) method developed in this paper is based on non-uniform rational B-splines (NURBS) basis function and used for the integral parameterization of nacelle-pylon geometry. The multi-block structured grid deformation technique is established by Delaunay graph mapping method. The optimization objects of aerodynamic characteristics are evaluated by solving NavierStokes equations on the basis of multi-block structured grid. The advanced particle swarm optimization (PSO) is utilized as search algorithm, which com-bines the Kriging model as surrogate model during optimization. The optimization system is used for optimizing the nacelle location of DLR-F6 wing-body-pylon-nacelle. The results indicate that the aerodynamic interference between the parts is significantly reduced. The optimization design system established in this paper has extensive applications and engineering value.     

单通道窄体客机气动力设计技术分析

气动力设计是单通道窄体客机的重大关键技术,对飞机性能影响重大。初步梳理和简要分析窄体客机的气动力设计技术,主要方法是典型机型的实例研究和相关数据统计分析和对比,内容包括机翼气动力设计、增升装置、翼梢小翼、CFD技术应用等。机翼气动力设计分析部分首先概述设计重要性和要求;之后给出典型飞机机翼气动力设计实例及主要参数统计数据,包括翼型、平面形状、飞机性能参数等;列出机翼内段-翼根区域气动设计、短舱-吊挂-机翼一体化设计等设计研究课题并简析。增升装置部分首先分析设计难点和问题,之后统计分析波音737和A320各代机型的增升装置设计,包括前缘后缘增升装置类型和主要参数等。翼梢小翼部分给出融合式小翼、双羽小翼减阻数据和展向升力分布改善图。最后简要介绍了波音公司、空中客车公司和我国CFD技术发展应用情况。     

低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法

建立了一套基于计算流体力学(CFD)/FW-H_pds方程(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface)的气动噪声预估技术和组合优化算法的低噪声旋翼桨尖平面外形设计方法。首先,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成。在优化过程中,桨叶网格生成采用提出的高效参数化的网格自动生成方法。在建立的CFD方法求解基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方程来求解旋翼高速脉冲(HSI)噪声。然后,以降低旋翼HSI噪声为目标,以旋翼悬停气动性能为约束,提出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法耦合到遗传算法过程中,建立了一种高效的组合优化算法。在当前的计算状态下,优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58.4%,优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨声速"离域化"现象,因此可以降低旋翼HSI噪声特性,同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30%,旋翼悬停性能提高了2%~3%。