考虑吸气影响的层流翼型梯度优化设计

针对层流翼优化设计问题,推导考虑吸气影响的层流-湍流转捩耦合伴随方程,并结合链式求导法则、自动微分技术及CK(Coupled Krylov)算法实现耦合伴随方程的高效求解,构建基于离散伴随理论的混合层流(HLF)翼梯度优化设计系统。转捩预测采用基于扰动放大因子模型(AFM)的e^N方法。层流飞行试验结果表明,基于AFM的转捩预测方法能够有效捕捉吸气控制影响下T-S(Tollmien-Schlichting)扰动波失稳诱导的转捩现象。利用构建的梯度优化系统开展层流翼型多点设计,并与非梯度优化方法的优化结果进行对比。自然层流设计结果对比显示,不同优化方法得到的设计结果呈现出较强的一致性。混合层流翼型多点设计结果显示,混合层流优化具有比自然层流优化更强的减阻能力。相比于自然层流优化翼型,混合层流优化翼型分别减阻6.1%、5.9%、33.3%、9.5%。本文构建的基于离散伴随的层流翼梯度优化方法能使混合层流机翼的气动性能得到大幅提升,可为未来混合层流机翼减阻设计提供方法支撑。     

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。     

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。     

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。     

耦合转捩自动判断的机翼粘性绕流计算与优化设计

具有边界层转捩自动判断功能的三维雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)方程求解器是自然层流机翼设计的必要手段。将一种基于线性稳定性理论的NTS/NCF转捩判断方法与RANS求解器耦合,以提高求解器的计算精度。通过求解三维稳定性方程,然后使用包络线方法计算对应Tollmien-Schlichting不稳定性的NTS,使用固定β方法计算对应横流不稳定性的NCF,然后根据转捩阀值(NTS)tr和(NCF)tr判断转捩位置。在上述工作的基础上,开展了自然层流机翼平面形状优化的气动减阻设计研究。     

高效层流翼型设计及试验验证

层流机翼设计技术是民用飞机减阻设计重要的发展方向之一。采用CST参数化方法及现代优化算法开展了面向工程应用的层流翼型设计方法研究,基于某层流技术验证机需求设计了一款层流翼型,采用数值计算和高速风洞试验对其层流特性进行了验证研究。研究结果表明,发展的设计方法可以实现层流翼型优化设计及反设计,优化翼型表面的层流区域显著扩大,升阻比有所提升;为验证机设计的层流翼段在设计点具有超过50%的层流区域,较传统翼段减阻量超过10%。研究结果对军民用高亚声速运输类飞机的层流减阻设计具有一定的参考价值。     

边界层转捩预测中的局部散射理论

随着航空航天技术的发展,工程上对转捩预测精度的要求越来越高。由于飞行器表面经常出现如粗糙元、台阶、缝隙等局部突变,而传统的基于光滑壁面边界层建立的转捩预测模型已无法满足精度要求。因而,发展考虑壁面突变影响的转捩预测方法有重要的实际意义。对于由边界层中模态扰动的累积所触发的自然转捩,局部突变通过局部感受性与线性模态的局部散射两种机制影响转捩位置,故可以通过在传统eN转捩预测方法的基础上引入这两种机制影响的方法建立新的转捩预测模型。为了量化这两种机制的影响,作者与其合作者们提出了一套通用的理论框架——局部散射理论。该理论框架采用大雷诺数渐近理论与有限雷诺数理论相结合的分析与计算方法,定量刻画局部散射系统的两个特征参数——局部感受性系数与透射系数,以预测在局部突变影响下转捩位置的改变量。文章综述了近年来局部散射理论的研究进展,重点展示了该理论在二维层流边界层中黏性与无黏两种失稳机制下的应用。     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

自然层流机翼气动外形优化研究

层流技术在飞行器尤其是民用客机减阻方面具有较好的应用潜力。采用全速势方程(TRANAIR)、序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)优化算法及自适应笛卡尔网格技术,用两种不同的参数化建模方法,类函数/型函数变换(Class function/Shape function Transformation,CST)和非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)方法,对某自然层流机翼进行了多点优化设计,设计点为:C_L=0.45(M:0.735,0.755,0.765,0.775),C_L=0.50(M:0.755),约束条件为:升力、俯仰力矩和翼型20%、80%及最大厚度不得低于初值。优化结果表明:虽然CST方法在翼型描述上具有先天优势,NURBS方法更多用于三维曲面,而对于文中自然层流机翼算例,NURBS的优化效果更好;在C_L=0.45(M:0.755)状态下,优化后上翼面转捩位置明显后移,层流区域变广,总阻力减小了4.5%;采用的优化方法在进行五点优化时仍然具有较高的计算效率,具有较强的工程实用能力。     

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。     

通航飞机高升力层流机翼优化设计

为了扩展机翼优化设计的工程应用范围,在传统气动优化约束的基础上,考虑结构布置的几何约束,对通用飞机层流机翼进行了设计。首先,采用自由变形(FFD)技术作外形参数化处理;然后,采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法,基于Kriging代理模型对某型通用飞机机翼进行了优化设计。设计过程考虑自然转捩工况,采用Menter k-ωSST两方程湍流模型和γ-Re_(θt)转捩模型对设计进行评估。计算结果表明,优化后机翼的巡航和爬升升阻比均有所提高、层流区延长、低头力矩变小,但最大升力系数减小了0.141,失速特性略有变差。     

三种典型翼型边界层稳定性对比分析

为了便于工程上翼型的选取及优化,本文针对三个典型翼型边界层稳定性进行对比分析。首先采用eN方法对翼型SD8020进行转捩预测,并采用萘升华实验法检验数值计算的准确性。再利用该数值方法对比了三种典型翼型上表面的转捩位置、不同弦长雷诺数下的压力系数分布、扰动增长率以及最不稳定扰动波的频率。分析结果表明,在相同弦长雷诺数下,NACA0012最先发生转捩,而NACA64-204和RAE2822都保持着较长的层流区;压力梯度对扰动增长有很大影响;同一翼型随弦长雷诺数增长,转捩点雷诺数变大,而不是工程上常采用的固定值。     

基于响应面法的低速翼型气动优化设计

响应面方法相较于其它直接优化方法有其高效、实用的优势,此前的研究更多地将响应面方法用于超音速和跨音速翼型的减阻优化设计中。本文将此方法应用于低速翼型优化设计中,进行了基于RANS(Reynolds-Aver-aged Navier-Stokes)方程和自由转捩预测耦合求解的低速翼型气动优化设计。通过计算附面层方程得到附面层参数并用en方法计算转捩位置,并考虑了T-S波和层流分离造成的转捩。RANS方程计算中,使用了转捩过渡区模型,以保证附面层外边界压力分布的精度。RANS方程和转捩预测迭代进行至转捩位置收敛。在响应面模型计算中,使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型,减少了构造模型所需的计算量;合理的选择设计空间保证了构造的响应面模型具有较高的精度。使用三个设计点的多目标优化设计,保证了设计的合理性。通过对NACA64(1)-112翼型优化计算结果表明,本文的方法可以有效地进行低速翼型的气动优化,各设计点上转捩位置也得到了改善,有较好的工程实用前景。     

超声速飞机层流布局设计与评估技术进展

以超声速民机的巡航减阻问题为背景,综述了超声速层流布局设计与评估技术的研究进展。首先给出了超声速飞机巡航气动效率提升的工程意义,分析了超声速飞机巡航阻力的构成。然后阐述了自然层流设计和流动控制两种有效延迟流动转捩技术手段的研究进展,梳理了超声速转捩数值模拟、风洞试验和飞行试验3种重要评估技术的研究进展,介绍了国内外典型的超声速层流布局设计与评估案例。最后总结了超声速飞机层流布局设计和评估技术的难点和技术发展建议。     

高超声速边界层转捩研究现状与趋势

在过去15年间,随着高超声速技术快速发展,边界层转捩也得到了更加广泛和深入的研究。人们对流向行波失稳、横流失稳、G9rtler涡失稳等转捩机理取得了较深刻认识,发展了可供工程设计的转捩判据、eN方法和转捩模型等转捩预测方法,建设了高超声速静风洞,并努力改善大口径常规风洞的流场品质,显著提升了地面风洞的转捩模拟能力和测试能力。未来,边界层转捩研究仍将紧跟高超声速飞行器发展趋势,在模型上更加关注椭锥和裙锥等外形;在机理上用PSE和DNS研究Mack模态与横流模态、G9rtler涡模态、流动分离的共同作用;在预测方法上发展基于PSE的eN方法、专用的转捩判据和更物理的转捩模型;在试验能力上进一步提高静风洞来流雷诺数和喷管口径,降低常规风洞背景噪声,发展点-面结合的转捩测试技术和时空高分辨率的流动显示技术。     

基于eN-数据库方法复杂构型飞机转捩预测

为探索边界层转捩对大型运输机在起降条件和有较大层流区的巡航条件下的气动力精确计算问题，通过在三维RANS求解器中引入eN-数据库方法来预测飞行器表面的转捩位置，并探索转捩对气动力的影响规律。方法与目前流行的基于间歇因子控制方程的转捩预测方法相比，具有计算效率高、易于工程应用、且考虑TS不稳定性转捩因素的特点。在此基础上，通过计算NASA梯形翼来分析起降构型条件下气动力受转捩影响的规律，并通过计算DLR－F6翼身组合体来探索三维构型在巡航条件下的气动力精度。使用eN-数据库转捩判断方法的计算结果与实验值吻合较好，验证了所构建的基于RANS求解器的eN-数据库转捩预测方法的有效性，并为大型运输机气动力精确计算提供了分析工具。     

基于遗传算法及转捩模型的层流翼型优化设计研究

讨论了层流翼型对飞机机翼减阻的重要意义,概述了遗传算法的优化原理及其特点。在基准翼型的基础上,以Hicks—Henne型函数的解析函数线性叠加法来描述翼型。采用遗传算法完成了层流翼型优化设计。计算中采用了转捩模型耦合SST两方程湍流模式,通过求解雷诺平均的N-S方程组模拟了翼型的转捩流动。对计算结果进行了分析,分析表明优化翼型在升力特性、阻力特性方面比基准翼型有很大的提升,达到了优化升阻比的目标。     

气动结构串行优化技术研究

针对飞行器工程型号发展中的气动结构优化设计需求,提出和讨论了一种气动结构串行优化策略,将气动结构耦合优化问题分解成了气动外形优化和多工况下保持巡航气动性能的结构尺寸优化两个串行子问题。基于自研工具和商业软件MSC Nastran建立了全自动的面向工程应用气动结构串行优化能力。开展了CRM-WB和HIRENASD机翼气动结构优化设计,同时取得了减阻和减重收益。结果表明所提策略具备一定的工程实用性,可在某种程度上解决飞行器型号发展中的气动结构优化设计需求。     

超临界层流复合翼飞机Re数效应修正方法研究

基于γ-Reθ转捩预测模型,对使用超临界层流复合翼的飞机进行转捩预测数值模拟。获得机翼在不同Re数下的自由转捩位置,计算转捩位置与试验数据吻合。结合转捩预测结果和强制转捩试验数据,对全机风洞试验数据进行不同高度的Re数效应修正。改变了战斗机只对阻力进行Re数效应修正的传统方法,分别对飞机的升力、阻力及纵向力矩进行Re数效应修正。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的低雷诺数翼型数值分析

通过综合运用Michel转捩判据和γ-Re_(θt)转捩模型的方法实现对低雷诺数翼型的气动分析。首先通过Michel转捩判据和层流分离位置分别估算转捩动量厚度雷诺数,然后分别用Langtry和Tomac提出的经验关系式计算转捩动量厚度雷诺数和转捩区长度,通过UDF(User-Defined Functions)将不同组的3个经验关联值写入Fluent软件对E387翼型(雷诺数为3×10~5)进行数值分析,并与试验值进行了对比。结果表明:基于Michel转捩判据比基于层流分离更能准确预测转捩位置,基于层流分离预测的转捩位置过于靠前,但是2种方法的气动力计算结果与试验值都比较吻合,Langtry和Tomac的经验关系式计算结果之间差别不大,Tomac方法能够计算出分离泡,且与Selig油流试验吻合较好。