一种快速的有约束气动CFD优化方法

提出了一种快速应用型罚函数法来求解有约束气动优化问题。多设计变量的优化算例表明：新方法与传统罚函数的序列极小化(SUMT)技术相比，避免了SUMT技术选择罚因子序列的问题，能在约束边界和不可行域进行计算，鲁棒性好，且求得约束最优点的效率高于SUMT技术，能减少30％～40％的计算量。本文分别将之与高分辨率Euler方程和N—S方程数值解相结合，进行了两个气动问题的优化。在二维无粘跨声速翼型的优化设计中，得到了升阻比明显提高的新翼型；对某型无人机高亚声速三维进气道设计，也获得了性能优秀的设计方案。     

旋翼桨叶跨音速绕流的全势方程计算方法

在随桨叶旋转的坐标系中,用有限差分法求解非守恒格式的全势方程,建立了一个适用于矩形桨尖和后掠桨尖桨叶跨音速流场计算的方法。该方法运用了Ｊａｍｅｓｏｎ的旋转差分技术,并采用等效迎角方法计入旋翼尾迹的影响。作为算例,首先对无升力状态下具有矩形桨尖和后掠桨尖的ＯＮＥＲＡ桨叶进行了计算,取得了与试验数据相吻合的计算结果。然后,对有升力桨叶,也分别就悬停及前飞状态下的桨叶剖面压力分布进行了计算,通过与试验值的对比,进一步验证了该方法的可靠性。     

通过损失系数实验值确定堵塞系数的方法

现有设计体系中损失系数主要是由实验和经验来确定。通流气动设计则需计入叶片槽道内的边界层及局部分离区的堵塞效应,反映边界层和局部分离区的堵塞影响的堵塞系数也是依经验给定。本文对多台风扇设计进行分析后,发现现有设计体系中损失系数和堵塞系数之间彼此孤立且在数值上不协调,而事实上,两者是紧密相关的,体现在物理上就是损失和开式分离流之间的关系。本文在分析现有设计体系模型的基础上,提出了一个工程模型,试图把两者关联起来,通过损失系数的实验值确定堵塞系数的值。     

混合并联TBCC动力的冲压流道跨声速流动及阻力特性

为了探究跨声速飞行工况下混合并联涡轮基组合循环(Turbo based combine cycle,TBCC)动力的冲压流道在冷通气状态下的流动及阻力特性,构建了一个巡航马赫数为4.0、基于混合并联TBCC动力的高马赫数飞机模型,通过三维定常数值模拟方法研究了其在Ma_∞=0.7～1.6,H_∞=11 km飞行环境下飞机-发动机内/外流动及其耦合特征。计算结果表明：跨声速状态下,冲压进气道入口处气流增压后的静压达到了自由来流滞止压力的85%～90%,气流接近于滞止状态,说明组合进气道存在强烈的节流效应,且冲压通道的喉道是组合进气道节流效应的主要贡献者;冲压发动机尾喷管的排气流动同时受到飞机绕流及涡轮通道排气系统等多方面的干扰,且涡轮通道排气射流对冲压发动机尾喷管气流本身就存在膨胀压缩及排气引射等多种干扰机制。阻力分析表明,压差阻力系数高出内表面摩擦阻力系数2个数量级,是跨声速状态下冲压流道阻力的主要来源;亚声速状态下,进气道阻力占比达到了60%～80%,是冲压流道的主要阻力部件,而Ma_∞> 1.0超声速状态下,进气道阻...     

半柔壁喷管型面设计与校准方法研究

半柔壁喷管是跨超声速风洞柔壁喷管的一种类型,由喉道块、可变型面的柔板及出口端板等部分构成。半柔壁喷管具有长度短、支撑机构数量少、建设成本低、系统可靠性高、运行维护成本低等优点。鉴于半柔壁喷管的各项优点,航空工业气动院的0.6 m连续式跨声速风洞和2.4 m连续式跨声速风洞均采用半柔壁喷管。本文以0.6 m风洞的半柔壁喷管为例,详细介绍航空工业气动院的半柔壁喷管型面设计方法,主要内容包括曲率连续的喷管无黏型面设计方法、曲率连续的附面层位移厚度计算方法、喷管型面的迭代设计方法、半柔壁喷管设计方法和喉道块上游型线设计方法。本文提出了一种根据计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）和流场校测结果调节附面层位移厚度的喷管型面校准方法,有效地提高了喷管型面出口马赫数的精准度。半柔壁喷管流场校测结果表明,半柔壁喷管菱形区的马赫数偏差小,流场均匀性良好,达到国军标先进水平。     

实体鼓包改进超临界翼型跨声速气动特性研究

采用风洞试验手段,初步研究了高速试验条件下二元翼型加载的实体鼓包高度、形状、安装位置等多方面因素对其减阻特性的影响,结果表明,实体鼓包可以减小阻力系数,在某些特定情况下(一般为中高升力系数情况下)可明显提高升阻比;实体鼓包的最佳应用场合是中高升力系数情况,小升力系数情况下不宜采用实体鼓包,如采用,则应使用较小的最大高度。为充分发挥实体鼓包的减阻作用,并且不至于因此导致气动性能的下降,最佳方法是采用自适应实体鼓包,根据需要随时改变其位置和高度。     

模拟退火算法和POD降阶模态计算在翼型反设计中的应用

在翼型反设计中用模拟退火算法作为寻找目标函数极值的优化算法;对翼型流场的计算采用基于正交分解(Proper Orthogonal Decomposition-POD)的降阶模态,这种方法可以降低流场反复计算所需的大量机时。本文将二者结合,并应用到翼型反设计领域,对几个给定翼型压力分布反求翼型表面。计算结果表明本文方法是可行的,且优化算法具有全局优化和鲁棒性强等特点。此外,本文提出了用扰动翼型函数的方法形成POD降阶模态中的快照,利用这些快照形成的基模态,拓展了加鼓包函数方法的表达范围。     

翼型和机翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法来数值求解非定常Euler和NS方程,并在非定常计算中通过引入"网格速度"来计入阵风的影响,实现了对刚性翼型和机翼阵风响应的有效数值模拟。首先采用该方法来对翼型攻角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算,结果表明:计算结果与现有的一些理论结果都符合较好,与文献中计算结果也吻合,NS方程的计算结果与Euler方程计算结果在变化趋势上是一致的,但具体的数值有差别。最后针对攻角突然增大的阵风,对不同马赫数下不同展弦比平直机翼的阵风响应进行了数值模拟,得出的计算结果与文献中的计算结果一致。     

旋翼翼型俯仰沉浮运动非定常气动特性实验研究

在南航非定常风洞内研制、开发了一套两自由度电控液压动态实验台,利用该设备,完成了翼型俯仰运动、沉浮运动以及俯仰沉浮耦合运动测压实验,并积分计算了翼型动态运动过程中的升力系数.翼型俯仰运动结果表明,翼型上的压力分布和升力系数与翼型振动频率和振动幅值有很大关系,随振动频率和振动幅值的增加,升力系数迟滞包线相应增加,而这一过程与翼型上前缘涡的脱落过程有关.翼型沉浮运动研究了翼型在不同迎角、不同风速下做沉浮运动时的压力分布和升力系数,结果表明在20m/s风速下,模型做沉浮运动时只对翼型前缘的压力分布产生影响,而在10m/s风速下,沉浮运动不仅使前缘压力分布产生变化,而且影响翼型下游的压力分布,这与翼型前缘形成的分离气泡脱落有关.另外给出了翼型做俯仰沉浮耦合运动时的压力分布初步结果.     

基于改进多目标布谷鸟搜索算法的翼型气动优化设计

布谷鸟搜索（CS）算法是一种新型的受自然现象启发的元启发式智能优化算法，其强大的全局搜索能力和收敛速度受到了广泛关注。多目标布谷鸟搜索（MOCS）算法是一种在单目标布谷鸟算法基础上发展的可以直接求解Pareto解集的多目标优化算法。针对原始MOCS算法的不足，采用一系列措施以提高算法的收敛精度、收敛速度以及解的均匀性：通过引入非支配排序与拥挤距离来改进解的适应度评估；通过改进随机游走策略来提高局部搜索能力；通过引入改进的自适应丢弃概率策略来提高算法的收敛速度；加入档案管理机制，提高解的均匀性。典型的多目标数值算例结果表明，改进的MOCS算法相较于当前主流的NSGA-Ⅱ算法拥有更快的收敛速度和更高的收敛精度。以RAE2822双目标升阻比优化设计为例，将改进的MOCS算法应用于多目标气动优化中，改进的MOCS算法共获得64个Pareto解，优化后的翼型气动性能有明显的提升，设计者可以根据自己的偏好选取不同的Pareto解。对于气动优化问题，改进的MOCS算法与目前主流的NSGA-Ⅱ相比，收敛速度更快。