民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

基于直接控制FFD参数化方法的跨声速层流翼身组合体稳健性设计

自由变形技术(FFD)技术不是对几何外形的直接操作,进行精细化设计时需引入高阶FFD控制体,针对其在参数化几何外形时的局限性,开展了直接控制FFD参数化方法的研究.通过对基础外形典型剖面进行扰动,将扰动量通过参数识别反映到FFD控制节点上,反求控制节点的位移,有效地降低了高阶FFD控制体进行三维外形参数化时设计变量的个数,并且将典型剖面参数化与三维外形灵活结合,更具物理直观性.运用此参数化方法结合四元数网格变形技术,采用γ- Reθt转捩模型进行边界层数值转捩模拟,多种群协作粒子群算法以及自适应采样技术构建稳健性优化设计系统,运用该系统对于跨音速层流翼身组合体进行了稳健性设计,设计结果表明,优化后的翼身组合体在马赫数不确定性范围内不仅可以保持大范围的层流区域,还可以控制激波缓慢发展,具有较好的稳健性.     

考虑抖振特性的变弯度机翼设计研究

变弯度技术可以提升大升力系数下机翼的抖振特性,对于提高民航客机的综合性能具有重要意义.构造了光滑、连续、可微的定量描述激波-附面层干扰导致的分离强度演变规律的分离函数,实现了适用于大规模精细化气动外形优化的抖振始发特性评估方法.基于典型的民用客机标模,开展了考虑抖振性能约束的机翼后缘变弯度减阻优化设计研究.结果表明采用后缘变弯度技术,在1.3g抖振点减弱激波以及激波附面层干扰导致的流动分离强度,可以获得1.89%的减阻量.以设计点阻力最小进行优化,设计点机翼后缘能够以更大的逆压梯度进行压力恢复;同时在1.3g抖振状态减小逆压梯度,降低分离强度,从而减弱了抖振性能约束对设计点产生的影响.在俯仰力矩配平条件下,获得接近1%的减阻收益.因此结合分离函数预测抖振特性的气动优化设计方法可以对变弯度机翼进行深入的优化设计,让机翼的变弯度收益具备更为实际的参考价值.     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

可变翼型动态失速气动模型研究

可变翼型在提高升力、减振降噪、延缓动态失速等方面具有显著效果,已受到越来越多的关注.但是,目前还缺乏准确高效的可变翼型动态失速气动模型.本文将动态失速引起的环量加入到二维诱导流模型,并根据可变翼型的构型对ONERA动态失速模型进行改进,建立了可变翼型动态失速气动模型.该模型克服了现有方法在动态失速状态下计算精度不高、未知状态量过多及计算复杂等缺点.采用该模型,计算了后缘小翼作简谐偏转运动的可变翼型在翼型无变距运动和翼型有变距运动两种情况下的气动载荷,并把计算结果与实验结果及ONERA模型计算结果比较,验证了本文建立的可变翼型动态失速气动模型的准确性.     

基于伴随方法的网格自适应DG方法

发展了一套基于伴随方法的Euler方程自适应网格DG求解方法,采用当地网格上的输出变量的误差估计作为离散误差指示器驱动网格自适应.在离散误差指示器的构造中,采用GMRES方法求解伴随方程获得伴随变量,将p阶流场变量和伴随变量映射到p+1阶函数空间,并进行有限次块对角Jacobi迭代得到近似p+1阶细网格解.壁面边界通量及输出变量计算仅依赖边界外侧值以保证伴随相容性.首先采用NACA0012翼型不同精度的阻力系数结果验证了误差估计的可靠性,然后对NACA0012翼型亚声速、跨声速流场和圆柱6马赫高超声速绕流进行了自适应加密计算研究.研究结果表明,基于伴随方法的网格自适应可有效提高阻力系数等输出变量的模拟准确性,在亚声速NACA0012翼型计算中使用约17%的全局加密自由度获得了与全局加密精度相当的阻力系数.     

翼型和机翼的多目标优化设计研究

为使已有的单目标优化方法推广用于多目标/多学科优化中去, 构造一个合适的综合目标函数(确定性算法)或适应函数(遗传算法)是十分重要的. 提出了一种适用于具有约束优化问题的目标函数组合法(OFCM), 讨论了采用确定性算法和遗传算法进行高性能翼型和机翼的双目标和双学科优化的问题. 二维(翼型)和三维(机翼)算例表明本文的方法可用于优化不同流体条件下、不同类型的翼型和机翼.     

CRH3型高速列车气动头型优化计算

本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题,提出了一套高效的头型气动力优化方法.使用NS方程进行流场求解,结合遗传优化算法和任意网格变形技术,避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销,提高了优化计算的效率.通过对设计空间中的设计点进行统计分析,研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性,分析出了影响优化目标的几个关键变量,并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析,得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系.最后,通过优化头型与原始头型的气动性能比较,对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.     

基于区间的风机系统翼型气动性能不确定性优化

针对样本数据少、信息缺乏的工程问题,研究了一种风机翼型气动性能区间的不确定性优化方法.通过建立区间模型非概率可靠性指标,在Kriging近似模型基础上,构建了稳健性优化模型.并采用了双重优化求解策略进行求解,以提高优化效率.为了提高叶型造型的拟合精度,采用五项多项式方法对翼型各截面进行参数化建模.通过和试验结果进行对比可知,该方法可满足风机气动性能优化精度要求.该方法为风机气动性能优化提供了新的途径,为轨道交通风机系统节能减排的市场实用化奠定了基础.     

基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法

建立了一种基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法，并基于此方法对弹性机翼进行了静气动弹性分析．基于机翼几何实体模型建立了三维气动力模型，利用高阶面元法计算气动力，通过模态法实现气动与结构的耦合，以AGARD445．6机翼和一个小展弦比机翼为研究对象，分析了机翼结构弹性变形对气动力的影响．本文重点研究了机翼的气动力系数、翼根载荷、结构变形、不同展向位置的压力分布等参数的变化趋势，并将部分结果与风洞试验、基于风洞试验气动力所得弹性结果进行了对比．结果表明：高阶面元法计算所得气动力具有较高的精确性；基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法具有可行性、可靠性和高效性，可以提供较为全面的静气动弹性数据为飞机初步设计参考．