基于遗传算法及Hicks-Henne型

以高空长航时无人机大展弦比机翼的层流翼型为研究对象,在低雷诺数范围内结合遗传算法与N-S方程气动数值解法,依靠计算流体动力学(CFD)计算技术,对翼型进行气动外形优化设计.在基准翼型的基础上,翼型描述采用了基于Hicks-Henne型函数的解析函数线性叠加法,个体以解析函数中的变量组成,通过选择、交叉及变异操作,进行了以高升阻比为目标的优化设计.优化后翼型在低雷诺数条件下的升力系数及升阻比有所提高,证明了利用遗传算法进行层流翼型气动外形优化是可行的.     

基于人工鱼群算法及Hicks-Henne型函数的翼型优化设计研究

人工鱼群算法作为一种新型智能算法,具有良好的克服局部极值、取得全局极值的能力,并且该算法具有对搜索空间具有一定自适应能力、寻优速度较快、算法的实现无需目标函数梯度值等特性,使得其能够适用于多种翼型的优化设计。将人工鱼群算法与N-S方程气动数值解法结合,依靠计算流体动力学(CFD)计算技术,对翼型进行气动外形优化设计。在基准翼型的基础上,对翼型的描述采用基于Hicks-Henne型函数的解析函数线性叠加法。利用上述开发的算法对NACA0012和RAE2822进行翼型优化设计,设计结果表明本文发展的优化方法能够很好地适用于进行多种翼型的优化设计。     

基于Hicks-Henne型函数的翼型参数化设计以及收敛特性研究

翼型参数化是风力机翼型优化设计中的重要环节。针对风力机翼型参数化中建立统一数学模型问题,研究HicksHenne型函数法及其改进算法在风力机翼型参数化中的应用。通过对Hicks-Henne型函数各项系数进行控制,避免出现翼型交叉与不光顺现象,保证了翼型整体形状的平滑。通过对关键点和设计变量的控制,研究设计空间覆盖性和设计变量对翼型的影响。分析了Hicks-Henne型函数法对翼型后缘设计的缺陷,并提出改进的Hicks-Henne算法改善尾缘夹角。Hicks-Henne型函数及其改进算法扩展了风力机翼型参数化表达方法,具有一定的工程实用价值。     

外形参数化方法对气动优化过程的影响

探讨了各类参数化方法(包括PARSEC,CST,HicksHenne,自由型变形等)的原理、优缺点及其对气动优化设计的影响。首先简述了基于NS方程进行气动优化设计的过程,指出参数化方法为优化问题提供了设计变量。然后研究了各类参数化方法的原理,给出了各类方法中参数的几何意义,并对PARSEC方法提出了改进。通过比较各类方法对代表性翼型的重构能力,给出了合理选择参数化方法,参数个数及其取值范围的建议。最后给出了在相同工况下分别使用Hicks-Henne和PAR-SEC两种参数化方法的气动减阻优化结果,研究了其对翼型气动优化效率和效果的影响。     

Magnus前缘旋转圆柱型翼的数值模拟研究

为探究前缘旋转圆柱对风力机叶片气动性能影响的机理,利用Magnus效应理论,结合传统翼型尾翼,提出新型前缘旋转圆柱组合叶片结构。采用Standard k-ε模型对多种工况进行数值模拟,分析圆柱转速比、前缘与尾缘间间隙、圆柱尺寸三个主要参数对组合翼型的气动性能影响。结果表明：在翼型前缘施加具有Magnus效应的圆柱有助于抑制翼型周边的流体流动分离,并有效地提高翼型的气动性能;提高转速比,导致升力系数大幅上升,阻力系数降低,增升减阻作用显著;减小前缘圆柱与尾部翼型间的间隙为NACA0015前缘旋转圆柱型翼带来更大的气动收益;合理的圆柱尺寸可以优化翼型的气动特性。     

Magnus前缘旋转圆柱型翼的数值模拟

为探究前缘旋转圆柱对风力机叶片气动性能影响的机理,利用Magnus效应理论,结合传统翼型尾翼,提出新型前缘旋转圆柱组合叶片结构。采用Standard k-ε模型对多种工况进行数值模拟,分析圆柱转速比、前缘与尾缘间间隙、圆柱尺寸三个主要参数对组合翼型的气动性能影响。结果表明:在翼型前缘施加具有Magnus效应的圆柱有助于抑制翼型周边的流体流动分离;并有效地提高翼型的气动性能。提高转速比,导致升力系数大幅上升,阻力系数降低,增升减阻作用显著。减小前缘圆柱与尾部翼型间的间隙为NACA0015前缘旋转圆柱型翼带来更大的气动收益;合理的圆柱尺寸可以优化翼型的气动特性。     

基于熵产方法的跨音速翼型减阻优化设计

将熵产方法引入跨音速翼型气动优化设计中,采用涡黏性模型对翼型流场熵产进行计算,进而阐述熵产对翼型阻力的影响.通过类别形状函数(CST)方法和径向基函数(RBFs)网格变形方法完成翼型参数化建模与网格变形,并将改进的NSGA2多目标遗传算法与CFD计算耦合起来实现了翼型自动优化设计,用此方法进行了跨音速翼型的气动优化设计,目标函数为来流马赫数为0.73、攻角为2.54°时升阻比最大,熵产最小.设计结果表明:优化方法在小种群下有很好的全局收敛性,得到的非支配解集分布均匀,质量较高.与参考翼型相比,优化翼型通过降低流场熵产,有效地减少了翼型阻力,大幅度提高了翼型升阻比,消除或减弱了翼型上表面激波,有效提高了翼型的气动性能.     

基于伴随方法的动态非定常气动外形优化设计

为实现动态非定常条件下的气动外形优化设计,基于非定常形式的欧拉方程及伴随方程,建立了一套完整的针对非定常动态问题的气动外形优化设计方法,并采用所建立的方法,对俯仰振荡的NACA0012翼型在跨声速(Ma=0.8)及限制条件下进行了翼型时均减阻外形优化. 对优化设计的结果进行了分析. 研究结果表明:该动态非定常气动外形优化设计方法具有较高的可靠性和实用性.      

基于Isight平台的多目标翼型优化设计

以Isight为集成平台,将遗传算法与CFD计算结合在一起,引入到翼型气动优化设计中.该优化设计方法不仅注重提高升阻比,而且在升力系数达到设计要求的条件下尽可能地减小阻力系数,以及防止绕前缘点力矩系数的剧烈变化.同时考虑到负迎角时的升力系数,可以说是真正的多目标气动优化.计算结果表明,这种优化方法是可行的.     

基于改进多目标粒子群算法的风力机大厚度翼型优化设计

仅以气动性能最佳为目标进行优化设计的翼型,结构性能较差.为了克服这一缺点,基于改进的多目标粒子群算法(MOPSO),提出了综合考虑气动性能和结构性能的大厚度翼型多目标优化设计方法.针对相对厚度为40%的翼型,应用翼型集成理论对翼型进行参数化表达,以翼型主要攻角处的升阻比最大和翼型面对弦线轴的惯性矩最大为设计目标,综合考虑翼型的粗糙度敏感性、失速特性及非设计工况特性,进行翼型的多目标优化设计,得到了Pareto最优解集.分析最优解集中的翼型,由此挑选出的新翼型在气动性能和结构性能上均比常用翼型DU00-W2-401有较大提高.     

陆空平台旋翼叶型参数气动性能多目标优化研究

陆空平台兼具旋翼无人机和无人车的特点,对各种室内外复杂作业环境均有较佳的适应性,但不同作业环境对旋翼的升力、悬停效率等气动性能的需求并不一致,单一叶型难以满足这种差异化需求.针对此问题,基于类函数/形函数方法,以伯恩斯坦多项式对翼型弦长、扭转角和旋翼前缘位置沿径向的分布进行了参数化表述,实现原旋翼叶型的三维参数建模重构,随后采用数值方法进行了关键叶型参数对气动性能的敏感性分析.计算结果表明,翼尖附近的弦长和扭转角对气动性能影响较大,且弦长和扭转角间存在明显的交互效应.据此以升力和品质因子为目标,对原旋翼叶型进行了多目标优化设计并进行了试验验证,试验结果表明,高升力叶型的旋翼升力系数提高了13.2%,高品质因子叶型的旋翼品质因子提高了37.8%,基于伯恩斯坦多项式与类函数/形函数方法结合的叶型三维参数化优化方法,能够有效提升旋翼升力或品质因子等气动性能指标.     

基于混合遗传算法的高速列车截面变化率优化设计

基于遗传算法和单纯形法构造出了一种混合优化算法,对不同编码方式的算法进行了对比分析。发现混合算法的寻优能力明显优于遗传算法的寻优能力;实数编码的混合算法能够更好的保持种群多样性,在存在多个局部最优解的情况下,比二进制编码的混合算法的寻优能力强。利用构造的基于实数编码的混合算法,结合Hicks-Henne型函数参数化方法和Kriging代理模型,对高速列车的截面变化率进行了减小气动阻力的优化设计,得到了在设计空间内的最优截面变化率;优化后,三辆编组列车的气动阻力减小9.41%,其中,压差阻力减小38.02%,摩擦阻力基本不变,头车气动阻力减小12.55%,尾车气动减小13.98%。     

基于代理方法的带小翼翼型气动模型

为满足带后缘小翼智能旋翼气动弹性分析的需求,建立一种基于代理方法的后缘小翼翼型气动力计算模型。模型从小翼偏转后的翼型实际形状出发,对带偏转小翼的翼型流场划分C型网格,基于二维黏性N-S方程求解流场计算翼型气动力。为方便气动弹性集成分析,节约求解非定常翼型气动力的时间成本,以RBF模型代理翼型CFD方法计算非定常翼型的环量气动力,以薄翼型理论计算气动力的非环量部分。以对称的NACA 0012翼型和非对称的NACA 23012翼型风洞试验数据和模型的计算结果对比,充分验证了模型计算常规翼型和带小翼翼型气动力的精度,同时证实了模型对不同翼型形状的适应性。     

改进的粒子群算法在翼型优化设计中的应用

建立了多目标风力机翼型型线优化模型,并采用改进的粒子群优化算法对多目标风力机翼型型线进行优化,设计出4种不同厚度的性能较好的风力机翼型。对CQUA18和CQUA21两种新翼型的气动特性与相同厚度典型的风力机翼型进行对比分析,结果表明,该翼型具有良好的气动特性,对翼型的前缘粗糙度不敏感,在主要攻角范围内,光滑和粗糙条件下,新翼型的升力系数和升阻比都要高,其气动特性具有显著的提高。     

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.