民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望

系统回顾了气动外形优化的主要环节,对优化体系中学科分析、参数化建模、网格重构技术、敏度分析、优化算法、代理模型、目标函数/约束处理等各个环节的进展,及气动综合优化面临的挑战、基础科学问题进行了总结。结合课题组在优化体系建设上开展的研究工作,针对民用飞机气动外形综合设计的需求,提炼了工程型号对优化体系构建的具体要求。并对今后的研究工作以及未来发展方向进行了展望与建议。通过文章系统整理论述,希望能够为气动数值优化设计研究人员提供一些有意义的建议和参考,促进设计空气动力学、以及多学科优化技术的发展。     

一种基于平均流场的翼型尾缘宽频噪声预测方法

发展了一种基于平均流场的翼型尾缘宽频噪声预测方法.可压缩Navier-Stokes方程被重组为能描述气动噪声产生和传播的形式,包括准确描述声传播的线性算子和雷诺应力构成的声源项.为减少计算时间和避免格林函数空间奇异性,采用伴随格林函数方法求解格林函数;同时采用基于平均流场的声源模化方法生成声源项.为了验证该方法,预测了NACA0012翼型尾缘宽频噪声,其中平均流场使用OpenFOAM计算,格林函数采用均匀流动下半无限大平板近似.预测结果表明:对于不同来流速度和攻角,该方法不仅能准确预测噪声幅值及峰值频率,而且噪声频谱也都在实验结果的误差范围之内(±3dB),证明了该预测方法的精度和适用性.      

基于连续伴随方法的高超声速飞行器高精度气动优化

高精度气动优化是改善高超声速飞行器气动性能的必要途径。基于Navier-Stokes方程推导了连续伴随方程以及与气动力目标函数对应的边界条件和壁面灵敏度公式,考虑了层流输运系数变分对伴随方程的贡献,采用基于二阶熵修正Roe格式的伴随对流项离散形式,构造了适用于高超声速流动的连续伴随求解器;结合FFD （Free Form Deformation）参数化方法和SQP （Sequential Quadratic Programming）优化算法构建了高精度梯度优化框架;在高超声速来流条件下对二维翼型和Sanger飞行器机翼优化开展了验证和应用。结果显示,在高超声速流动条件下所采用的伴随对流项离散形式具有较好的鲁棒性和低耗散性;连续伴随求解器能够较好地给出气动力目标函数梯度;优化后Sanger机翼构型通过二次激波压缩实现了减阻增升,升阻比提高5.0%;验证了连续伴随优化作为高超声速飞行器高精度气动优化方法的可行性。     

高性能叶轮机全3维叶片技术趋势展望

高性能叶轮机是驱动先进航空发动机/地面燃气轮机发展的核心技术,为明晰叶轮机技术发展问题与趋势,在相关文献调研基础上,从基元叶栅、展向积叠、端区处理、精细化设计以及全局观念等方面出发,概要分析阐述了中国叶轮机全3维叶片技术继续发展的要点与突破口,指出全面综合最大折转亚声速叶栅、允许分离超声速叶栅、弱化激波叶栅、掠弯参数化积叠、叶身/端壁融合等基础研究成果并结合伴随方法进行精细化设计的负荷最大化技术,再辅以3维空间、非定常流动、细节关联等全局观念下派生的技术是全3维叶片技术的重要发展方向.未来全3维叶片将注重全3维空间流线曲率的良好控制.     

采用修正比例导引的雷达寻的导弹脱靶量研究

利用伴随系统推导了采用修正比例导引规律时,目标阶跃机动和初始前置角误差引起的终端脱靶量公式,以及雷达测量误差引起的脱靶量均方根的解析公式.对比了比例导引和修正比例导引的制导性能.     

基于非确定性的翼型鲁棒反设计方法

实际的翼型是在一个非确定性的状态范围内工作的,为此应用鲁棒控制理论建立了翼型的鲁棒气动反设计方法及数值求解过程,基本的优化器为基于伴随方程的位流优化方法。对守恒型位流方程应用高效AF 2格式求解,对非守恒型的伴随方程采用了旋转差分和高效AF 3格式,提高了梯度计算的精度和效率。优化算例表明:本文方法所得到的翼型在一个较宽的工作状态范围内都具有良好的性能。     

采用伴随星接收LEO到GEO上行信号的一种方案

随卫星上部署动态跟踪天线,难以进行卫星姿态控制,为此提出了一种采用两颗伴随卫星部署非跟踪天线的接收方案,用于接收低轨圆轨道星(LEO)到地球同步静止卫星(GEO)的上行信号。理论分析及STK(SatelliteToolKit)软件仿真结果表明,伴随星姿态只需在惯性空间内稳定,就可实现动态信号接收,大大降低了系统的实现难度。     

高超声速飞行器平稳滑翔弹道扰动运动伴随分析

针对高超声速飞行器平稳滑翔弹道扰动运动问题,研究了伴随仿真方法及其应用。首先,利用伴随系统的数学定义式,从新的角度给出了伴随仿真方法的统一解释,包括误差预算性质和伴随一次仿真结果一般意义;对于随机线性系统,导出协方差分析的伴随。然后,在滑翔动力学建模和平稳滑翔弹道定义基础上,得到了平稳滑翔弹道定义的一致性;建立初始状态和气动力存在干扰的动力学模型,并在小扰动假设下得到标准平稳滑翔弹道附近的线性化微分方程。最后,通过伴随仿真算例,分析了确定性常值小扰动和随机扰动对平稳滑翔弹道的终端状态的影响,同时对比非线性仿真和蒙特卡罗仿真,结果吻合;伴随仿真方法的计算效率优势明显。      

基于伴随技术的超音速反舰导弹末端机动突防的脱靶量分析

采用伴随技术,得到了确定性误差条件下反舰导弹末端机动突防的稳态脱靶量解析解。利用该解析解,得到了各种末端机动的脱靶量曲线。结果表明,两种非平面机动方式比平面机动方式有更大的脱靶量,从而有更好的突防效果。     

半捷联寻的导引头寄生回路稳定性分析与制导精度分析

对半捷联寻的导引头的寄生回路稳定性进行了分析,研究了半捷联寻的制导系统主要参数变化与各误差源对制导精度的影响。首先进行了半捷联寻的导引头跟踪控制系统设计,建立了半捷联寻的导引头隔离度数学模型及由隔离度函数引起的寄生回路数学模型,推导了隔离度函数最大幅值与导引头系统参数之间的解析表达式,给出了寄生回路稳定判据,建立了寄生回路稳定域与导引头控制器参数之间的约束关系。 基于伴随技术推导了目标机动及测量元件噪声所引起的脱靶量与弹体过载的显式解析表达式。 最后针对实际的半捷联寻的制导系统进行了精度分析,给出了制导系统主要参数变化对制导精度的影响规律,确定了各种误差源信号对制导精度的影响程度,为半捷联寻的制导系统总体设计提供了理论依据和技术支撑。