变弯翼型与增升装置多目标气动优化设计研究

针对二维增升装置低速起飞、着陆状态和变弯度翼型高速巡航状态下的高低速气动特性进行综合优化研究,发展了一种基于Kriging代理模型与多目标遗传算法的增升装置多目标气动优化设计方法。使用自适应下垂式铰链襟翼机构,通过襟翼与扰流板联动偏转来改善飞机的低速起降性能及高速巡航性能。将襟翼铰链位置、扰流板偏角和襟翼偏角作为设计变量,通过求解N-S方程来预测初始样本点气动力,利用Kriging代理模型分别建立起飞、着陆和巡航状态下设计变量与气动力之间的关系,得到多个高效气动力预测模型,最后使用多目标遗传算法在代理模型的基础上进行多目标气动优化设计。设计变量变化时计算网格的自动生成采用RBF(radial basis function)动网格技术来实现。基于搭建的高效全局多目标优化设计平台进行了高低速综合气动性能多目标优化,并对Pareto前沿面的多目标解集进行了多设计点校验与分析,筛选出了多目标并重的优化解。     

一种求解定常无黏流场的混合延拓方法

定常流场的求解在现代飞行器气动设计中有着广泛的应用,流场求解效率对飞行器优化的效率有着重要影响。提出了一种将拉普拉斯(Laplace)算子与伪时间推进法相结合的混合方程延拓方法,用于求解定常无黏流动问题。在定常流动问题中,流场通常被初始化为均匀来流条件,然后再开始迭代求解。这就导致初始残差仅在靠近边界的网格处不为零。针对这一特点,通过拉普拉斯算子作为额外耗散措施,加速非线性迭代在求解初期的收敛速度。在非线性迭代的后期,为避免拉普拉斯算子的过度耗散,混合延拓方法逐步过渡为由伪时间项主导。为构造完整的非线性迭代策略,同时给出了延拓系数的初始化、递推和终止方法。最后,将所构造的方法应用于有限元欧拉方程求解器中,分别通过GAMM鼓包内流算例和NACA0012外流算例,在亚声速和跨声速条件下对计算效率进行了验证。数值实验结果表明,混合延拓方法在跨声速算例中可以比单纯拉普拉斯延拓提高1/3~1/4收敛速度,相对于单纯时间推进法的效率提升更为显著。     

大型民用运输机短舱涡流片增升效率以及参数影响研究

采用经风洞试验验证的CFD计算方法和网格生成策略,以某型大型民用运输机基本三段增升装置着陆构型为对象,研究短舱涡流片及其参数对增升装置效率的影响。研究表明:短舱涡流片的流动机理与大后掠三角翼类似,其所诱导漩涡流动的强度、上下位置以及展向位置是影响增升效率的3个关键因素。空间涡下移、向机翼外侧移动或增加其强度均可以提高增升装置的效率。其中涡流片下偏会使空间涡下移且向机翼内侧移动,但是对机翼上方空间涡强度的影响并不是单调的;涡流片后移可以增强机翼上方空间涡强度并使其下移,但是也会造成空间涡向机翼内侧移动;增加涡流片的安装角或者倾角可以增强机翼上方空间涡强度并使其向机翼外侧移动,但是会造成空间涡上移;增加涡流片的后掠角(即减小其前缘附近的面积)使空间涡下移并向机翼外侧移动,但是会造成空间涡强度减弱。所以这些参数(上下位置、前后位置、安装角等)对全机升力系数的影响都不是单调的,需要大量的流场分析方能找到较优的参数组合。同时短舱涡流片还会受到巡航状态、发动机反推和结构等方面的约束,设计过程中需要综合考虑各种影响因素。     

基于本征正交分解的气动外形设计空间重构方法研究

在飞行器设计过程中为了提高优化设计的寻优精度,设计变量不断增加,从而使整个过程更加复杂且大幅延长设计周期。针对这一问题,基于本征正交分解降阶方法开展气动外形设计空间重构方面的研究。工作针对二维翼型开展,主要目标分为2个方面:1减少优化过程中的气动外形设计参数;2提高设计空间中满足设计约束的样本比例。在Hicks-Henne参数化和POD重构得到设计空间内随机选择20 000个样本发现,Hicks-Henne参数化空间中满足设计约束的样本比例不足25%,而重构之后的空间则超过70%。因此,采用POD方法对设计空间进行重构大大提高了样本质量,同时减少了优化设计参数。以RAE2822进行厚度约束下的单目标升阻比增大优化设计为例分别研究传统的约束处理方法和设计空间重构对优化结果的影响。传统约束处理方法中包括罚函数法和拒绝策略,优化结果表明拒绝策略略优于罚函数法,且无须设置惩罚权重,使用方便。对比重构前后设计空间的优化结果可见,2种传统约束处理方法在32个Hicks-Henne参数化空间中最优设计结果升阻比增加分别为27.61%和28.20%,采用POD方法重构后的设计空间得到的升阻比提升分别为28.20%和30.63%。因此,设计空间重构前后的优化精度基本类似,而且设计空间重构之后优化设计参数大大减少,设计效率得到明显提升。     

POD-Kriging降阶方法在串联双圆柱流场预测中的应用

串联双圆柱是研究起落架噪声机理以及不同部件之间流动相互作用的经典算例,而距径比(圆柱柱心间距与直径的比值)是该构型非常重要的参数,随着距径比的改变,流场形态会发生明显变化。为更清晰地分析串联双圆柱流场的非定常效应和流场形态随距径比的变化规律,采用本征正交分解方法(POD)提取流场降阶基模态,再通过Kriging模型插值出待求的各模态投影系数,分别对串联双圆柱定参数非定常流场和变距径比时均流场建立降阶模型,为保证样本精度,快照数据的采集采用基于SST湍流模型的尺度自适应模型(SAS)。通过降阶模型预测的圆柱流场与数值计算及实验数据的对比,证明了模型的精度与效率,然后利用建立的降阶基总结了时均流场随距径比大小的变化规律。