高雷诺数下跨声速自然层流短舱优化设计

为解决高雷诺数下大涵道比发动机自然层流短舱高维优化设计问题,提取短舱3个基准面实现轴对称自然层流优化设计。通过获得较大范围层流区域,从而降低短舱表面摩擦阻力。采用类别形状函数（CST）参数化、γ-Re_θt转捩模型和遗传算法建立自然层流（NLF）短舱自动优化流程。表明通过优化短舱基准面建立三维NLF短舱设计方法的可行性。进而通过CATIA二次开发构建三维非轴对称NLF短舱,解决了基准面优化后大量数据点的高效导入和曲面生成问题。针对设计的非轴对称NLF短舱,进行了设计点附近迎角、侧滑角、来流马赫数以及湍流度的转捩敏感性分析。结果表明:跨声速状态下,迎角增大层流范围减小;来流马赫数增大层流范围扩大;侧滑角和湍流度对层流范围影响很小。      

Numerical optimization of transonic natural laminar flow nacelles

Natural laminar flow nacelle is a promising technology for drag reduction. In this paper,an optimization platform is established for the design of transonic axisymmetric and threedimensional natural laminar flow nacelles for large civil aircraft. The platform adopts the class/shape transformation method for geometric parameterization, a four-equation transition model for transition prediction, and the differential evolution algorithm combined with the radial basis function surrogate model as the...     

Double-decoupled inverse design of natural laminar flow nacelle under transonic conditions

The inverse design based on the pressure distribution is an essential approach to realize the improvement of Natural Laminar Flow(NLF) performance for nacelles. However, the direct definition of target pressure distribution at design point is challenging for the dilemma to consider the constraints of shock wave and laminar flow at the same time. In addition, the universality of method will be limited when the inverse design is strongly coupled with the solver. Thus, a double-decoupled methodolog...     

Robust design of NLF airfoils

 A robust optimization design approach of natural laminar airfoils is developed in this paper. First, the non-uniform rational B-splines (NURBS) free form deformation method based on NURBS basis function is introduced to the airfoil parameterization. Second, aerodynamic characteristics are evaluated by solving Navier-Stokes equations, and the γ-Re_θt transition model coupling with shear-stress transport (SST) turbulent model is introduced to simulate boundary layer transition. A numerical simulation of transition flow around NLF0416 airfoil is conducted to test the code. The comparison between numerical simulation results and wind tunnel test data approves the validity and applicability of the present transition model. Third, the optimization system is set up, which uses the separated particle swarm optimization (SPSO) as search algorithm and combines the Kriging models as surrogate model during optimization. The system is applied to carry out robust design about the uncertainty of lift coefficient and Mach number for NASA NLF-0115 airfoil. The data of optimized airfoil aerodynamic characteristics indicates that the optimized airfoil can maintain laminar flow stably in an uncertain range and has a wider range of low drag.     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

尾吊发动机短舱安装对机翼高速升阻特性的影响研究

尾吊式发动机短舱在全机影响下的气动设计十分复杂,其与机翼、机身、平尾等部件的气动干扰对全机的气动特性有较大影响.为了评估短舱安装对机翼高速升阻特性的影响,本文在计算流体动力学软件Fluent中对某型飞机的全机流场进行了数值模拟,着重考察了有无短舱以及短舱安装在不同位置对机翼表面流场的影响情况.计算结果表明,尾吊式发动机短舱安装将导致机翼升、阻力系数降低,但升阻比会有所提高;短舱安装越靠近机翼,机翼升、阻力系数下降越大,而升阻比越高.     

外物损伤对民用飞机短舱内/外流气动特性的影响

根据民用飞机动力装置/机体适航验证研究需要,结合三维有限元碰撞冲击仿真,进行了外物损伤(FOD)条件下发动机短舱内/外流数值模拟分析,初步获得了外罩变形对短舱气动特性的影响。结果表明:结合三维有限元碰撞冲击仿真进行的民用飞机短舱气动特性数值模拟,可以较好地分析FOD对发动机短舱内/外流气动特性和安全性能的影响;在内流方面,外罩和唇口的变形导致了巡航状态和低速大流量等状态短舱内流品质降低,一定程度上影响了进气道流通能力并进一步降低了发动机效率;在外流方面,外物损伤变形导致的气流分离致使局部唇口的前缘吸力丧失,这使得FOD短舱的阻力系数始终比光滑短舱的大,但是当外罩流动均处于失速状态时,两者的阻力特性差异降低。通过对严重影响短舱气动特性或飞机安全性的FOD进行评估,表明该研究成果可以为短舱结构设计的优化和民用飞机安全性分析提供技术依据与建议。     

基于 CFD 和推阻分解技术的全机溢流阻力预测与分析

飞机在飞行过程中,根据性能需求,需要不断调整发动机活门流量系数,因此发动机短舱唇口的压力分布形态会发生很大变化,前方外流作用于进气道内流管上的合力也将改变,从而引起溢流阻力变化。本文基于某型号飞机,结合 CFD 动力模拟和推阻分解方法,获得不同流量系数下的溢流阻力,并分析流量系数、马赫数、高度、迎角对溢流阻力的影响。溢流阻力预测方法和影响研究可为飞机/涡扇发动机一体化设计、大涵道比短舱设计和气动力预测提供参考。     

曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法研究

为了进一步提高短舱内外流的气动性能,基于类别形状函数方法建立了曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法。主要思路是先设计关键截面型线,再设计纵向型线,最后通过纵向型线周向有序组合建立气动型面。为评价所建立的短舱气动型面设计方法的适用性,从曲率半径分布、主要工况下的流动特性和气动性能三个方面对所发展的方法和基于圆锥曲线的方法设计的超大涵道比(UHBPR)短舱进行了对比研究。结果表明：与基于圆锥曲线的方法设计的短舱相比,所建立的方法设计的短舱气动型面不存在轴向曲率半径波动。由于消除了曲率波动引起的短舱壁面附近局部过度加速形成的高速低压区,在马赫数为0.8的巡航条件下外罩壁面局部阻力降低了4.5%；在马赫数为0.82的飞行工况下,外罩壁面局部阻力降低了5.5%。进气道气动型面设计方法的改进,使得大攻角爬升条件下进气道总压恢复系数提高了0.41%,稳态周向总压畸变指数减小了8.82%。     

民机自然层流机翼研究进展

新世纪航空市场对能耗、噪音等限制性要求继续加强,新一代民用飞机需要在气动减阻方面取得重大突破,自然层流机翼技术成为研究热点.总结了层流技术类别,回顾了自然层流机翼的主要研究历程,介绍了当前正在开展的欧洲TELFONA计划和美国ERA计划中的自然层流机翼的研究进展,概述了自然层流机翼应用情况和自然层流短舱,分析了自然层流机翼的实际应用难题,展望了自然层流技术在新一代民用飞机中的应用.     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。     

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

高速自然层流翼型的设计与风洞实验研究(英文)

为了发展商务客机用的低阻力翼型,本文在荷兰科技大学TST27风洞开展了高速自然层流翼型的实验研究工作。为了减小测量技术对模型流场的干扰,提高测量精度,分别采用了IR,PIV以及阴影法等非接触测量技术。通过这些非接触测量技术的使用,对翼型的转捩位置、后缘分离以及升阻力等气动特性进行了测量研究。从实验结果可以看出,在小迎角范围内,翼型可以在其表面保持较长的层流段,并且后缘分离涡不会随迎角增大而向前发展,使翼型具有高升力、低阻力的特性。从实验结果和计算结果的差别可以看出,实验数据是可靠的,设计的翼型基本满足了设计要求。     

发动机短舱溢流阻力的数值模拟

 为分析发动机溢流阻力的产生原因并为进气道-发动机匹配研究提供一定的技术支持,以典型的发动机短舱为研究对象,分析了短舱上的进气道阻力,并详细介绍了相应溢流阻力的数值计算方法。在对发动机短舱外流模拟时,通过引入两个和发动机参数相关的数值边界条件,即一个是定流量的发动机进气道入流边界,另一个是定总温总压的发动机喷流边界,避免了对发动机复杂内流的模拟。利用NACA-1-81-100发动机进气道作为标准算例,验证了数值方法的可行性。通过模拟发动机短舱在不同工作流量下的流动,认为发动机短舱的溢流阻力产生归因为溢流造成的发动机外表面的阻力变化,以及捕获流管变细导致的附加阻力增加。     

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

Nacelle-airframe integration design method for blended-wing-body transport with podded engines

Strong shock waves and flow separation often occur during the integration of nacelle and airframe for blended-wing-bodies with podded engines. To address this problem, this paper presents an integration method with numerical simulations. The philosophy of channeling flow and avoiding the throat effect on the nacelle and airframe is established based on the analysis of flow interference in the initial configuration. A parametric integration design method is proposed from twodimensional plane to three-dimensional space with control mechanisms and selection principles of the key parameters determined by their influences. Results show that strong shock waves and flow separation can be successfully eliminated under the influence of both the reshaped channel and decelerated inflow below the nacelle. Supersonic regions around the nacelle are effectively reduced, concentrating mainly on the lip position. Thus, a significant cruise drag reduction(8.7%) is achieved though the pressure drag of the nacelle increases.     

旋成面叶栅气动反命题的新解法(Ⅱ)

本文利用映象平面ξ-η的特点, 将旋成面叶栅气动正命题的微分-积分解法与叶型修正的“喷气模型”结合, 建立了一种适用于旋成面叶栅气动反命题的新解法。叶片表面给定的气动参数分布作为反命题的边界条件, 在求解过程中直接得到满足。通过对一例实际透平叶型的计算验证了本文解法的可靠性和实用性。      

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法,研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟,分析了带动力的涡扇发动机模型的流场,并将计算结果与实验进行比较,验证边界条件处理的准确性;以此为基础,考虑结构弹性变形,采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法,分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数,气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异,使得全机的升阻比下降约12.6%,升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示,在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著,远离该区域,弹性变形效应占主要影响因素,因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时,考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

低雷诺数翼型局部振动非定常气动特性

针对低雷诺数翼型特殊的气动特性,采用基于动网格的非定常数值模拟方法,研究翼型表面不同弦向位置的局部蒙皮以不同频率及振幅振动时对低雷诺数翼型气动特性及流场结构的影响,揭示蒙皮振动增升减阻的机理。研究表明,在低雷诺数条件下局部蒙皮振动可有效提高翼型气动特性,与刚性翼型相比蒙皮局部振动可使翼型升力系数提高,阻力系数降低,升阻比提高。振动位置对翼型气动特性及流场结构有显著的影响,振动表面位于翼型前缘附近或位于层流分离泡中心时可有效控制翼型层流分离,从而提高翼型气动特性。振动频率对翼型表面层流分离及转捩位置均有显著的影响,随着振动频率增加,翼型气动特性出现最优值。与刚性翼型相比,表面振动使翼型转捩位置略向上游移动,摩擦阻力增加,但振动使等效翼型相对厚度减小,压差阻力明显减小。在小幅振动范围内,随着振幅增加,流场非定常特性更加显著,翼型升阻比增加。     

Application of a PCA-DBN-based surrogate model to robust aerodynamic design optimization

An efficient method employing a Principal Component Analysis (PCA)-Deep Belief Network (DBN)-based surrogate model is developed for robust aerodynamic design optimization in this study. In order to reduce the number of design variables for aerodynamic optimizations, the PCA technique is implemented to the geometric parameters obtained by parameterization method. For the purpose of predicting aerodynamic parameters, the DBN model is established with the reduced design variables as input and the aerodynamic parameters as output, and it is trained using the k-step contrastive divergence algorithm. The established PCA-DBN-based surrogate model is validated through predicting lift-to-drag ratios of a set of airfoils, and the results indicate that the PCA-DBN-based surrogate model is reliable and obtains more accurate predictions than three other surrogate models. Then the efficient optimization method is established by embedding the PCA-DBN-based surrogate model into an improved Particle Swarm Optimization (PSO) framework, and applied to the robust aerodynamic design optimizations of Natural Laminar Flow (NLF) airfoil and transonic wing. The optimization results indicate that the PCA-DBN-based surrogate model works very well as a prediction model in the robust optimization processes of both NLF airfoil and transonic wing. By employing the PCA-DBN-based surrogate model, the developed efficient method improves the optimization efficiency obviously.