数据挖掘技术在飞行试验数据分析和气动参数辨识中的应用研究

为了检验飞行试验辨识结果的可信度,首次将数据挖掘技术用于飞行试验数据的分析和气动参数辨识,初步解决了试验数据有限、数据信息含量差别较大给聚类、分类、回归等分析处理带来的问题;提出了利用不同时间段、不同飞行批次的飞行数据在划分区间的气动特性分布来检验辨识结果可信度的方法;以某飞行器为对象,利用数据挖掘技术,建立了基于飞行试验数据的气动力数学模型,检验了辨识结果的一致性和可信度,并与地面试验结果进行了比较分析,给出了地面试验预测误差。多批次飞行试验数据的整体辨识结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为验证辨识结果的可信度、建立基于飞行试验数据的气动模型提供了新的途径,并可应用于CFD 和风洞试验的验证与确认。     

单通道客机气动标模CHN-T1设计

发展单通道客机标模,特别是针对国内客机研制的标模,一方面利于确认CFD软件计算的可信度,从而促进CFD软件能力提升,为客机气动外形设计提供可靠的分析工具;另一方面有利于确认风洞试验品质,校对测量仪器,改良干扰修正方法,研发先进测量技术。本文介绍了用于确认风洞试验和CFD可信度的标模CHN-T1的气动外形设计。该标模包含机身、机翼、平尾、立尾、短舱、吊挂等部件。对机翼开展了详细优化设计,并配置单通道的窄体机身、满足稳定控制需求的平尾和立尾、翼下吊挂的通气模型短舱,组成全机干净构型,具有现代单通道客机的典型几何外形特征。标模设计马赫数为0.78,设计升力系数为0.5。机翼采用高气动效率的超临界翼型,在有/无短舱/吊挂组件的影响下,机翼均展示了良好的气动性能。相关信息可为即将召开的"第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1)"提供基础。     

随机和认知不确定性框架下的CFD模型确认度量综述

随着计算机技术迅猛发展,计算流体力学(CFD)数值模拟技术已广泛应用于航空航天、船舶、风力、水利等领域,为装备的复杂流体分析、性能参数评估以及产品气动设计与优化提供重要验证与决策手段。现有的CFD技术都是在确定性的数学模型、物理参数、边界条件下进行数值模拟的。然而,由于物理过程的复杂性及人们的认知偏差,CFD技术中存在着模型参数、数值离散、模型形式等诸多不确定性因素且表征形式各异,给CFD数值模拟的可信度评估带来了极大挑战。文章阐述了CFD技术中面临的不确定性因素,探讨了主流模型确认度量方法的应用条件和适用范围。着重介绍在认知不确定性下的模型确认度量方法,包括几类重要的区间、概率盒下模型确认度量方法。通过NACA0012翼型绕流问题说明了CFD技术中考虑各种不确定性下的模型确认度量方法的有效性。     

变精度模型(VCM)的自适应预处理方法研究

在气动优化设计和气动数据库建立中,为了在不降低数据精度的同时提高效率降低成本,提出了变精度模型(VCM)。本文的研究发现,经典的变精度模型(VCM)方法在原始数据绝对值较小的情况下,微小的误差会被放大,损害变精度模型的质量。严重情况下甚至出现振荡,导致变精度模型气动数据失真。为此,提出了一种VCM方法的自适应预处理技术,通过自适应算法估算出合适的预处理参数平移气动数据,避开过零区域,解决了变精度模型的上述问题。在一个典型高超声速飞行器的六自由度气动特性数据库建立中应用校验该方法。新方法将风洞试验数据、CFD数据和工程计算数据融合在一起,得到了一致精度的完整气动特性数据库。     

基于非结构网格求解器的CHN-T1标模气动特性计算研究

高可信度计算流体力学(CFD)技术在大型运输机精细化气动设计中发挥着越来越重要的作用。虽然目前基于RANS方程的数值模拟技术已经应用于大型运输机复杂外形的气动性能计算与分析中,但其可信度仍需进一步确认。针对AeCW-1组委会发布的CHN-T1运输机标模,采用基于RANS方程的非结构网格求解器TNS进行了气动性能计算,并与组委会提供的风洞试验结果进行了对比。此外,还研究了网格量和湍流模型等因素对巡航气动特性计算结果的影响,以及支撑干扰和静气弹变形对跨声速抖振特性的影响。结果表明,TNS预测的巡航升阻比及跨声速抖振特性等气动性能与试验值吻合良好,计算结果完全位于试验值误差带内,验证了所采用的非结构网格求解器在大型运输机复杂外形气动力预测中的可靠性。     

宽体客机气动标模CHN-T2设计

发展商用运输机标模是我国独立发展具有自主知识产权的先进民用飞机的重要支撑手段,对验证CFD技术和确认风洞试验品质具有重要意义。结合国内外主流宽体商业客机的布局特点和气动设计需求,基于自主开发的AMDEsign设计平台,设计研发了宽体客机标模CHN-T2。标模设计马赫数0.85,设计升力系数0.48。模型充分体现了主流宽体商用客机典型的双通道机身/超临界机翼/平立尾/翼吊通气短舱等几何特征,具有典型的部件间强干扰/激波分离/转捩等流场特征以及优异的高亚声速巡航/高升阻比气动效率等性能特征。通过气动外形优化设计、短舱吊挂组件影响及雷诺数效应等研究,并结合风洞试验数据对比分析,最终确认CHN-T2模型巡航升阻比达到21.8、阻力发散马赫数约为0.872、抖振边界大于1.3倍巡航升力系数、风洞试验准雷诺数为3×10⁷。研究认为,CHN-T2模型具有良好的气动性能,能够作为先进宽体客机气动标模进行应用推广。通过持续建立的丰富气动数据库和流场影像,可有力支撑宽体客机流动机理分析、CFD技术验证与确认、先进风洞试验技术发展验证、CFD与风洞数据相关性等研究。     

经典跨声速翼型RAE2822数据分析

经典跨声速翼型RAE2822风洞试验数据长久以来被广泛用于CFD计算方法和软件的验证与确认，但是数据的正确使用或者说合理使用仍存在一些需要研究和注意的问题，包括计算网格、风洞试验数据修正、中弧线修正、翼型几何定义和建模，以及摩擦阻力系数和边界层速度剖面的原始定义等。在开展CFD研究之前，必须首先对计算方法进行验证，尤其是要先尽可能消除计算结果对计算网格的依赖性；经过对目前可开放使用的计算网格的不足之处进行分析，研制了一套高品质的计算网格并获得了预期的一阶网格收敛性；通过计算软件交叉验证，进一步确保所用计算软件的可信度。在将CFD计算结果与翼型风洞试验数据进行比对时，通常需要对马赫数和攻角进行修正，且如何修正是一个需要持续研究的问题；翼型中弧线修正是一种有效的方法，但需要考虑流动参数的影响。原始翼型几何构型采用有限离散点定义，计算网格生成过程中需要采用插值方法布置型面网格点，不同插值方法对于翼型前缘附近流动的数值模拟有细微影响。多数相关研究工作只比对压力分布；少数研究工作会比对摩擦阻力系数、边界层及尾迹速度剖面，但在比对时，需要注意原始风洞试验相关参数定义与CFD计算常用定义的区别。     

中国气动数据库的现状及展望

研究中国气动数据库的现状可以发现,尽管几乎每个从事气动研究的单位或组织都开发过自己的气动数据库,但这些组织之间,甚至就是本组织内部,都缺乏协调性、连贯性和必要的交流。基于这一点,本文提出并描绘了中国气动共享数据库(COAD)的发展蓝图,重点强调该数据库的管理层面,数据库可用性、数据可靠性评估、统一数据标准、数据资源和开放的系统架构。     

DPW Ⅳ～DPW Ⅵ数值模拟技术综述

DPW(Drag Prediction Workshop)系列会议是CFD验证和确认领域最具代表性的国际会议之一。CRM(Common Research Model)代表了现代运输机的典型巡航构型,该模型是AIAA DPWⅣ~Ⅵ会议选择的基准研究模型。针对CRM,国际上开展了大量的风洞试验与数值模拟工作,这些工作反映了当前CFD验证与确认研究的最新进展。本文介绍了CRM及开展的风洞试验,概述了DPWⅣ~Ⅵ会议的情况,分别从计算网格生成、计算方法与湍流模型、计算结果与试验结果的对比等方面总结了CFD验证与确认工作的进展,以及CRM相关优化设计工作,并给出了进一步开展CFD验证与确认工作的思考与建议。     

直升机机身大角度气动特性计算与试验相关性研究

计算直升机大角度飞行状态的飞行性能、品质和载荷需要大迎角和大侧滑角的机身气动特性数据作为设计输入,在直升机研制过程中,这些数据通常采用风洞试验和CFD计算的方法来获得。为了研究上述两种方法得到的气动特性数据之间的相关性,采用CFD方法计算了3种不同构型的直升机机身大角度状态的气动特性,并与风洞试验结果进行了对比分析。分析结果表明,CFD计算得到的大角度状态气动特性结果变化趋势与风洞试验结果一致,两者的差值在部分迎角或侧滑角时比较大,而两者的比值基本不随迎角或侧滑角的变化而变化。研究结果可为大角度状态气动特性CFD计算结果修正和CFD计算方法在直升机研制中的应用提供参考。     

利用CFD计算技术进行机翼模型气动特性分析

计算流体动力学方法（CFD）已经成为空气动力学领域重要的计算方法。利用该方法进行机翼模型Naca0012的数值模拟,包括计算模型的气动力系数以及气动导数。采用了效果很好的新型网格控制算法,通过自有程序处理流固耦合边界问题以及商用软件的求解器模块进行整体区域的数值计算。在证明了方法的有效性之后,又通过多种振幅奈件下的数值模拟结果,对以往广泛采用的理论方法的有效性进行了探讨,研究了机翼模型气动导数随振幅变化而变化的情况。     

基于代理模型的气动外形优化

探讨了一种将CAD软件、CFD商用软件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。重点介绍建立气动分析代理模型的过程,这一过程包括确定设计变量及其取值范围、生成试验设计点、建立参数化几何模型、CFD数值计算、提取气动特性和构造代理模型。通过一个简单的机翼气动外形优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。     

汽车风洞支撑干扰扣除方法研究

借鉴航空风洞镜像法原理,提出一种针对汽车风洞支撑气动干扰扣除的方法。在汽车风洞中完成汽车模型和天平支撑连接或分离的两次风洞试验,得到了汽车模型的气动力和支撑对汽车模型的干扰力之和。为了扣除模型支撑对汽车模型气动力测量的影响,在进行风洞试验的同时,应用CFD软件进行工况完全一致的数值仿真,计算模型支撑对不同车型气动阻力的影响。最后,通过归纳的修正公式将数值仿真获得的影响数值转化为汽车风洞试验的影响数值,获得汽车风洞试验的最终阻力系数结果。结合风洞试验和数值仿真的研究结果表明两种方法互相验证,互相补充,可以解决汽车风洞试验时支撑干扰扣除的实际工程问题。     

Recent experience with different methods of drag prediction

During the recent past the process of engineering design has changed entirely because of rapid developments in computational simulations. In aerodynamic design, computational fluid dynamics (CFD) methods are slowly superseding empirical methods and design engineers are spending more and more time applying CFD tools to analyze and predict the aerodynamic characteristics of vehicles. The purpose of this paper is to review recent experiences in CFD-based drag prediction with an emphasis on flow solutions governed by the Euler and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. For these types of flow solutions, various drag analysis methodologies are outlined and applied to determine the drag of components of as well as whole-body airplanes, helicopters, and ground-based vehicles at subsonic and transonic flow conditions. The review demonstrates that although significant progress has been made, CFD-based drag prediction still faces a number of hurdles that must be dealt with before it will become more widely accepted.     

Efficient aerodynamic shape optimization using variable-fidelity surrogate models and multilevel computational grids

A variable-fidelity method can remarkably improve the efficiency of a design optimization based on a high-fidelity and expensive numerical simulation, with assistance of lower-fidelity and cheaper simulation(s). However, most existing works only incorporate “two” levels of fidelity, and thus efficiency improvement is very limited. In order to reduce the number of high-fidelity simulations as many as possible, there is a strong need to extend it to three or more fidelities. This article proposes a novel variable-fidelity optimization approach with application to aerodynamic design. Its key ingredient is the theory and algorithm of a Multi-level Hierarchical Kriging (MHK), which is referred to as a surrogate model that can incorporate simulation data with arbitrary levels of fidelity. The high-fidelity model is defined as a CFD simulation using a fine grid and the lower-fidelity models are defined as the same CFD model but with coarser grids, which are determined through a grid convergence study. First, sampling shapes are selected for each level of fidelity via technique of Design of Experiments (DoE). Then, CFD simulations are conducted and the output data of varying fidelity is used to build initial MHK models for objective (e.g. C_D) and constraint (e.g. C_L, C_m) functions. Next, new samples are selected through infill-sampling criteria and the surrogate models are repetitively updated until a global optimum is found. The proposed method is validated by analytical test cases and applied to aerodynamic shape optimization of a NACA0012 airfoil and an ONERA M6 wing in transonic flows. The results confirm that the proposed method can significantly improve the optimization efficiency and apparently outperforms the existing single-fidelity or two-level-fidelity method.     

CFD数学模型的线性化方法及其应用

计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:① NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;② NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;③ AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

基于POD-BPNN的热启动策略及其在气动代理优化中的应用

传统气动优化设计需要大量CFD 分析,而代理优化（SBO）方法能够有效降低CFD 分析次数,但该方法并没有改变单个CFD 分析时间。提出一种基于本征正交分解-反向传播神经网络（POD-BPNN）模型的热启动策略,并应用于气动代理优化。使用POD-BPNN 模型对SBO 中的初始样本建立从几何设计变量到流场数据的预测模型...     

基于XML语言和代理模型的翼型通用气动数据库技术

建立翼型气动数据库对翼型的选择和设计具有重要的意义。本文基于一种建立翼型通用气动数据库的思想,介绍该数据库的基本框架和基本功能;该数据库采用一种基于可扩展标记语言的通用数据格式进行存储,包含翼型几何特性数据、不同流动状态下力系数、物面压力分布等各种气动数据,并且还可提供灵活多样的数据处理功能;采用代理模型和变可信度模型技术,实现气动数据快速检索和插值功能。通过DU93-W-210翼型算例初步表明如何实现气动数据生成和快速插值,从而初步展示了所提出翼型气动数据库技术的可行性。