基于FFD的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

水下滑翔机发展至今大体上可以分成2个大类:常规布局外形水下滑翔机与非常规布局水下滑翔机。翼身融合水下滑翔机作为一种非常规布局水下滑翔机,因其独特的流体外形布局,具有更好的流体动力特性。但设计出具有优秀水动力性能的翼身融合水下滑翔机外形较为困难,因此开展翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究工作具有十分重要的意义。开展基于自由变形(FFD)的翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究,以FFD参数化方法为核心,与CFD求解器、优化算法、网格变形方法相耦合,组成了完整的自动外形优化设计框架,并用该框架开展了翼身融合水下滑翔机外形优化设计工作。以翼身融合水下滑翔机下沉和上浮一个工作周期的平均阻力系数为目标函数,在考虑体积约束的条件下开展外形优化设计,优化结果表明翼身融合水下滑翔机的滑翔性能得到了明显提升。     

翼身融合水下滑翔机后缘舵流体特性研究

为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。     

一种联翼式水下滑翔机外形优化设计方法

为增大传统水下滑翔机的升阻比,提高水下滑翔机的运动性能,将航空领域先进的联翼布局与传统水下滑翔机相结合,提出了一种新型的联翼式水下滑翔机,并通过外形优化设计使得联翼式水下滑翔机具有更优的升阻特性.首先,对水下滑翔机主体进行数值仿真模拟,将得到的结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.其次,运用CFD仿真软件比较分析了正交错、负交错和联尾翼3种联翼布局外形的升阻特性,选择升阻比最大的正交错布局作为水下滑翔机的初始外形.然后采用描形参数化方法,建立了联翼式水下滑翔机外形的参数化模型.最后,以最大化升阻比为优化目标,构建Kriging代理模型并采用EGO算法对联翼式水下滑翔机外形进行了优化设计.研究结果表明:优化后的联翼式水下滑翔机外形相比于初始外形,升阻比提高了18.42%;相较于传统水下滑翔机,升阻比提高了23.45%,从而验证了联翼式水下滑翔机具有更优异的升阻特性.本文的研究成果为提高水下滑翔机的滑翔性能提供了一种新思路和途径.     

混合元模型自适应空间探索优化方法及应用

为了提高翼身融合水下滑翔机等复杂工程系统的设计质量与优化效率,本文提出一种混合元模型自适应空间探索优化方法。通过增强随机进化算法选取初始样本点,构造3种经典单一元模型:多项式响应面模型、径向基函数模型和克里金模型。使用基于预测均方根误差权重因子优化方法计算获得各元模型权系数,通过加权叠加构建混合元模型。采用自适应空间探索方法根据已知信息确定有效的设计子空间,并在其内部选取新增样本点,逐步提高混合元模型在感兴趣区域的预测精度,直至优化收敛。将提出的方法应用于标准优化函数和翼身融合水下滑翔机外形设计优化实例,试验对比结果验证了该方法在优化效率和全局收敛性方面的优势。     

翼身融合自主式水下航行器的多泡结构耐压舱分步优化设计

针对翼身融合自主式水下航行器的扁平机身结构,提出了一种多泡结构耐压舱,它具有很强的抗压能力,并且充分地利用了机身空间。由径向基函数(radial basis function,RBF)代理模型和Kriging代理模型组成了精确度更高的混合代理模型,采用候选点采样和局部最优采样2种加点策略,对多泡结构耐压舱进行外形和结构的分步优化设计。以最大排水体积为优化目标、外形约束为约束条件,对多泡结构耐压舱进行外形的优化;选取最小结构质量作为优化目标、最大等效应力和屈曲系数为约束条件,对多泡结构耐压舱进行结构的优化。使用基于有限元方法的分析软件ANSYS对模型的强度和稳定性进行了分析。     

圆碟形水下滑翔机运动仿真分析

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下潜器,其全翼身外形使其具有全向运动特性。为了研究圆碟形对水下滑翔机运动性能的影响,本文基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解。分别对圆碟形水下滑翔机在垂直面内的直线运动、受外界小幅扰动运动和空间螺旋运动进行了仿真分析。仿真结果表明,圆碟形水下滑翔机的升阻比相比于鱼雷形水下滑翔机较高,其自身受到外界小幅扰动时具有一定的稳定性;空间螺旋运动的螺旋半径、螺距以及周期都远小于鱼雷形水下滑翔机,小空间内的机动能力得到了大幅提高。     

圆碟形水下滑翔机运动仿真分析

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下潜器,其全翼身外形使其具有全向运动特性。为了研究圆碟形对水下滑翔机运动性能的影响,本文基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解。分别对圆碟形水下滑翔机在垂直面内的直线运动、受外界小幅扰动运动和空间螺旋运动进行了仿真分析。仿真结果表明:圆碟形水下滑翔机的升阻比相比于鱼雷形水下滑翔机较高,其自身受到外界小幅扰动时具有一定的稳定性;空间螺旋运动的螺旋半径、螺距以及周期都远小于鱼雷形水下滑翔机,小空间内的机动能力得到了大幅提高。     

翼身融合水下滑翔机剖面水翼定常吸流主动流动控制数值研究

在翼身融合水下滑翔机表面上开孔并施加定常吸流可以改善滑翔机的水动力性能,为了探究定常吸流主动流动控制对翼身融合水下滑翔机剖面水翼升阻特性的影响规律和机理,基于计算流体力学(CFD)方法,采用SST k-ω湍流模型,选取NACA0015水翼并针对不同吸流偏角、不同吸流开口位置、不同吸流比等工况开展定常吸流主动流动控制研究。研究定常吸流对未失速、临界失速、过失速3种不同流动状态下二维水翼剖面升阻力系数的影响,并进一步以过失速流动为例分析其影响机理。数值研究结果表明:合理的定常吸流可以有效抑制水翼的流动分离状态,并改善水翼周围的流场分布,进而改善其升阻特性;定常吸流对NACA0015水翼的增升减阻效果在90°吸流偏角时最好,且关于90°吸流偏角对称;定常吸流的开口位置越靠近水翼前缘,其增升减阻的效果越好,越有利于水翼升阻特性的提升;吸流比越大,定常吸流对水翼升力系数和阻力系数的影响程度越大。     

一种代理遗传算法及其在气动优化设计中的应用

遗传算法具有良好的鲁棒性和全局优化等优点,但是需要进行大量目标特性的计算,因此计算量很大.针对这一问题,利用代理模型计算量小的优点,将代理模型引入到遗传算法中,建立了一种高效的代理遗传算法.在该算法中,以遗传算法为整体框架,在优化搜索中部分使用代理模型进行目标特性分析,大大减少了计算量.为防止代理模型不精确带来的影响,在优化过程中通过引入EI方法,较好地解决了算法中校正个体的选择问题.为了验证方法的有效性,使用该算法进行了翼型的气动外形优化设计,升阻比提高了40%.与基本遗传算法相比,该算法的优化结果与之相当,但计算时间减少了约75%.结果表明该算法对遗传算法的改进是有效的,适合进行气动外形优化设计.     

飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析

为提高碟形水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式碟形自主水下滑翔机,采用计算流体力学中SST(shear stress transmission)湍流模型对其流体动力特性进行分析,得到其在0°~21°小攻角范围内升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数以及升阻比的变化规律.并与模型实验结果进行对比,得出数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,验证了数值计算方法的有效性,且与传统水下滑翔机相比,飞翼式碟形自主水下滑翔机具有更优的综合水动力性能和滑翔经济性能.对于其运动特性,则基于多体动力学理论建立了该型水下滑翔机的动力学与运动学模型,并考虑了其内部纵向、横向调位滑块移动速度以及浮力驱动系统压载质量变化速度等调节变化的影响,代入数值仿真所得水动力系数,对该型水下滑翔机锯齿滑翔和螺旋滑翔等两种典型水下滑翔运动进行运动仿真.结果表明,该型水下滑翔机具有一定的运动稳定性,从理论上验证了其水下滑翔的可能.     

基于松散式代理模型管理框架的亚音速机翼优化设计方法研究

基于N-S方程的三维气动外形的优化设计一直以来都因为存在众多的设计变量和庞大的计算量问题而无法实现,为了解决这些问题,文中发展了一套机翼气动优化设计系统,该系统基于模拟退火粒子群优化算法、松散式代理模型以及动网格和改进的HicksHenne函数变形技术,选取翼根、翼梢各18个设计变量进行参数化。按某型飞机设计要求,在给定设计指标下进行优化设计,研究了基于松散式代理模型管理框架下,训练样本采用拉丁超立方方法对Kriging代理模型的预测能力进行评估,以及应用该代理模型框架进行了亚音速机翼的气动外形优化设计,结果显示,优化后机翼的气动特性有着显著提高。     

可控翼混合驱动水下滑翔机运动性能研究

提出了一种可控翼混合驱动水下滑翔机的概念,借助独立控制的左右滑翔翼和螺旋桨推进器,该滑翔机能够实现高效率滑翔推进和高机动性螺旋桨推进2种推进方式,可有效解决现有水下滑翔机或推进效率低或机动性差的问题。为了研究该滑翔机的运动性能,基于Newton-Euler法建立了六自由度运动数学模型。通过求解稳态滑翔运动平衡方程,定量分析了可控翼翻转角对滑翔机滑翔性能的影响。根据六自由度动力学模型,对该滑翔机的滑翔运动和螺旋桨推进运动进行了仿真研究,仿真结果表明可控翼混合驱动水下滑翔机相比常规水下滑翔机有较高的航行性能。     

Savonius风机叶轮双侧外形优化设计

为了提高Savonius风机叶轮的风能利用率,提出一种双侧外形不同的叶轮方案,并对双侧外形参数进行优化。利用基于雷诺时均的N-S方程和SST k-ω湍流模型以及滑移网格技术建立叶轮数值仿真计算的CFD模型;同时建立风机叶轮双侧外形参数的Kriging-PSO优化模型;基于CFD和Kriging-PSO优化模型对Savonius风机叶轮双侧外形进行优化。研究结果表明:形状参数为(0.6268,0.5413)的叶轮发电效率最高(0.284),相比于常规的Savonius叶轮的发电效率(0.265)提高7.17%。     

Savonius风机叶轮双侧外形优化设计

为了提高Savonius风机叶轮的风能利用率,本文提出一种双侧外形不同的叶轮方案,并对双侧外形参数进行优化。利用基于雷诺时均的N-S方程和SST k-ω湍流模型以及滑移网格技术建立叶轮数值仿真计算的CFD模型;同时建立风机叶轮双侧外形参数的Kriging-PSO优化模型;基于CFD和Kriging-PSO优化模型对Savonius风机叶轮双侧外形进行优化。研究结果表明:形状参数为(0. 626 8,0. 541 3)的叶轮发电效率最高(0. 284),相比于常规的Savonius叶轮的发电效率(0. 265)提高7. 17%。     

基于代理模型模式匹配的锅炉实时操作优化

为了提高电厂燃煤锅炉操作优化的有效性与实时性，提出新的基于代理模型模式匹配(PMAM)的建模框架.提出主蒸汽流量的滞后性计算方法.采用改进的模式匹配优化模型，计算历史优化操作库.引入工况注意力机制参数、状态参数区间频率法及调控最小的3层方案优化机制，确保模式匹配方案的有效性.采用神经网络算法预建模构建锅炉操作优化的代理模型，基于代理模型表征模式匹配步骤，使得本文方法可以适用于在线应用.案例结果表明，利用提出的模式匹配优化模型，能够有效地寻找优化的锅炉操作方案，工况相似度大于95%，可以使得锅炉效率提升1.92%；训练的代理模型均方误差小于0.35%.与传统方法相比，本文方法避免了优化求解带来的泛化误差影响，在提升锅炉效率的同时，具有高可靠性及实时性.     

基于Stochastic Kriging的柔性机翼稳健性优化设计

采用随机代理模型方法对柔性机翼气动外形进行稳健性优化设计。相比确定性优化设计,稳健性设计能够考虑设计变量和参数的扰动,保持设计结果在不确定性影响下的性能稳定。采用高精度的气动/结构耦合求解器(耦合Navier-Stokes方程和结构静力学方程)分析柔性机翼的变形情况和气动效率。为了提高优化效率,建立随机Kriging(Stochastic Kriging,SK)代理模型,将确定性的Kriging代理模型发展到随机空间,通过有限次输入得到数据的固有不确定性。对柔性M6机翼的气动外形进行稳健性优化设计,结果表明:相比确定性代理模型的稳健性优化结果,应用随机代理模型的优化结果的设计点阻力系数减小2.8 counts,在可变马赫数范围内阻力系数均值减小3.2 counts,优化结果具有较高的设计点气动效率和阻力发散特性,并且优化后构型的翼根弯矩有明显减小,体现随机代理模型在稳健性优化设计系统中的优势,同时也说明建立的SK代理模型具有较高的预测精度。     

流线型箱梁气动外形的数值优化

为改善基于风洞试验的桥梁断面气动外形优化方法所固有的人力物力耗费、搜索范围有限等缺点,提出了一套基于数值计算和数学策略的主梁气动外形优化方法。选取断面下腹板倾角和梁高作为设计变量,以计算流体力学(CFD)模拟和颤振时域法作为数值计算手段替代风洞试验,将试验设计、蚁群混合遗传算法与Kriging代理模型作为协同数学策略替代试错法,探索优化了苏通长江大桥流线型箱梁断面颤振性能最佳的参数匹配方案。结果显示,设计域内最优断面颤振临界风速比原型断面提高8%,下腹板倾角相比梁高对颤振性能影响更大,且存在交互作用。主梁断面气动外形数值优化方法能够较好地取代风洞试验进行外形寻优,研究对以后大跨度桥梁断面选型具有借鉴意义。     

考虑剪缩性的城市固体废弃物非线性弹性模型

针对城市固体废弃物(MSW)具有明显剪缩特性的特点,提出能够考虑剪缩性的非线性弹性模型.通过三轴固结不排水(CU)试验验证MSW的剪缩性,在传统非线性弹性模型框架中引入了剪缩模量与压硬模量,将固废的体积应变分解为由平均正应力与切应力产生的2个部分,基于三轴固结排水(CD)试验提出体积应变和广义切应变的全量表达式,通过微分手段获得剪缩模量和压硬模量的具体表达式.采用多学者的MSW试验结果对模型进行验证.结果表明,模型的拟合效果较好,各参数的离散型较小,能够较清楚地描述垃圾的力学特性.     

基于阻力分解方法的气动特性及优化设计研究

在气动外形设计研究中,设计构型的阻力预测一直以来都是一项极具挑战的任务,而对于越来越复杂的构型而言,更是希望能够得到高准确度和高可信度的阻力数值结果。为了能够实现更加高精确度的阻力预测方法,并有针对性地开展气动外形设计研究,首先对比和分析了近场法和远场法进行阻力预测的特点,并提炼出现有主流的几种远场法关于轴向速度损失量(axial velocity defect)公式的优劣势和差异,进而提出了关于轴向速度损失量的改进方法,建立了改进的基于远场法的阻力预测方法和阻力分解方法。其次,在阻力分解方法建立的过程中,由于需要对阻力区域的选择划分进行判断和决定,因此开展了相关参数敏感性的讨论分析。然后,基于构造的阻力分解方法,针对Common Research Model(CRM)翼身组合体构型开展了气动特性研究,结果表明文中的方法不仅可以充分保证力系数的预测精度,还可有效分析不同阻力分量及其对总阻力的影响和具体的贡献占比。最后,将改进的阻力分解方法融入基于梯度的气动外形优化设计系统,针对CRM构型进行了气动外形优化设计,优化结果不仅可通过阻力区域识别函数直观感受阻力分量可视化区域的详细变化情况,还可更加精确地得到优化构型去除伪阻力以后的总阻力与升阻比。     

喷水推进型水下滑翔机的水平翼参数配置及定常运动分析

以喷水推进型水下滑翔机为研究对象,对比理论计算、数值仿真和拖曳试验结果,验证数值仿真方法计算水动力的准确性.考虑水平翼对水下滑翔机滑翔效率和静稳特性的影响,通过设计正交仿真试验和利用惠克公式确定水平翼的参数配置.基于刚体六自由度动力学模型,建立喷水推进型水下滑翔机的动力学模型,对定常滑翔运动和水平面回转运动进行运动仿真.结果表明,滑翔运动时,随质心调节位移的增加,攻角减小、滑翔角和滑翔速度增大;水平面回转运动时,随舵角增大,回转半径和回转周期减小,并且航速越快,尾舵调节效果越好.研究结果对喷水推进型水下滑翔机的设计与应用具有指导意义.