考虑声爆特性的超声速客机气动优化设计

提高巡航气动效率和降低声爆强度是超声速客机设计的关键。首先建立了基于RANS方程的近场CFD预测和基于波形参数法的远场预测相结合的高精度声爆评估方法,然后采用有限差分法求解声爆目标对设计变量的梯度,与由离散伴随方程法求解的气动目标函数的梯度进行组装,作为权重目标值的梯度,并耦合自由型面变形参数化技术、基于逆距离权重插值算法的网格变形技术和序列二次规划算法,搭建了考虑声爆特性的气动优化系统。对超声速公务机翼身组合体构型先后进行了考虑声爆的机头偏转气动优化设计和机翼精细化气动减阻优化设计,优化目标分别为声爆值和阻力系数的权重之和、超声速巡航点阻力系数。结果表明,优化后机头下偏削弱了头部向下传播的激波强度,从而减小了远场声爆最大过压值;机翼精细化设计后阻力减幅达9.5%,载荷内移,外翼段压差阻力减小,同时压力分布形态表现出逆压梯度减弱、压力恢复更加平缓的特征。气动声爆综合特性明显优于初始构型,验证了优化系统的有效性。     

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。     

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。     

基于高斯过程回归的机翼/短舱一体化气动优化

为了解决机翼/短舱一体化气动设计的高维非线性优化问题，基于高斯过程回归（GPR）模型提出新型优化设计方法.采用类别形状函数变换（CST）方法对机翼/短舱一体化构型中的翼型进行几何参数化建模；通过控制机翼形状参数、短舱形状参数和短舱安装参数实现机翼/短舱构型变形，该参数化建模过程共计包含50个设计参数.通过GPR模型构建机翼/短舱设计参数与气动性能之间的代理模型，并采用贝叶斯优化（BO）算法实现代理模型的自更新和最优气动外形的获取.结果表明：优化后一体化构型的阻力系数下降了10.95%，通过流场分析发现机翼外形和短舱外形的优化改善了表面流场结构，短舱安装位置的优化减弱了机翼和短舱间的气动干扰.     

基于智能算法的汽车气动外形参数多目标优化

为了对汽车外形进行优化设计,利用CFD软件与智能算法相结合的方法,以在天窗微开高速行驶状态下的汽车为优化的对象,选取气动阻力最小、气动升力为0、天窗后缘压强最小为`优化目标,以汽车关键外形参数为设计变量,对汽车气动外形进行多目标优化设计.同时,应用了数据挖掘技术评价设计变量与3个目标函数的影响关系,选取优化后的最佳关键参数制作汽车模型并进行风洞试验验证.研究结果表明:通过遗传算法优化的车身外形,在其他设计目标满足要求的条件下成功地将阻力系数降低了9.5%,并通过风洞试验验证了该智能算法结果的准确性.基于智能算法的汽车气动外形设计具有指导意义与实际应用价值,为汽车气动外形的多目标优化设计提供了一种高效、精确、可靠的先进优化方法.     

基于代理模型的旋翼翼型动态失速优化设计

利用代理模型方法取代计算流体动力学（CFD）方法,开展旋翼翼型的动态失速特性优化设计. 建立基于动网格技术的旋翼翼型非定常气动特性求解方法,获得旋翼翼型在不同外形下的升阻力和力矩气动特性参数. 利用类型转换（CST）翼型参数化方法,对初始翼型进行拟合重构;选取12个设计参数,利用基于自然启发的全局优化差分进化算法,优化目标是降低旋翼翼型的力矩和阻力特性,主要限制条件是保证升力特性不降低和翼型厚度增幅不明显. 将本文的优化设计结果与基于伴随方法和CFD方法的优化结果进行对比. 结果表明,基于Kriging模型的动态失速特性优化方法与伴随方法相比,在二维翼型优化设计上具有更好的寻优性能,优化翼型气动特性的表现更好;该方法与CFD方法相比,在利用全局优化算法的优势下,减少了过早陷入局部最优点的可能性,对比优化结果表明,在力矩和阻力特性相差无几的情况下,升力特性的表现更优.     

二维增升装置气动外形与驱动机构综合优化研究

为了减少增升装置设计过程中气动外形与驱动机构的往复迭代时间,搭建了二维增升装置气动外形及驱动机构综合优化设计平台,文中对四连杆机构以及连杆滑轨机构约束下的二维多段翼型进行优化设计和分析对比。优化结果显示,四连杆机构和连杆滑轨机构对应的着陆和起飞构型气动性能均有所提升。四连杆机构杆长减小了64.15 mm(2.7%),连杆滑轨机构在不考虑滑轨的情况下,杆长减小237.3 mm(14.7%)。这种气动机构综合优化设计对于缩短增升装置设计周期,降低设计成本具有现实意义。     

基于Hanson噪声模型的螺旋桨气动与噪声优化设计

针对螺旋桨气动与噪声多目标优化设计问题,采用基于非均匀有理B样条的自由曲面变形方法对全桨叶进行三维几何变形。为节省优化计算成本,将RANS方法和Hanson模型相结合预测纯音噪声,其预测精度与耦合URANS方法的FW-H方程相当。在此基础上,采用Kriging代理模型与非支配关系排序遗传算法进行优化搜索,建立了螺旋桨气动与噪声多目标优化设计框架。采用该框架对某民航客机螺旋桨进行优化设计,优化以叶片不同展向站位的翼型扭转角和弦长作为设计变量。相比基础桨叶,在功率不增加的情形下,巡航构型风洞试验状态的轴向监测点噪声值最大下降约0.25 dB,在功率略有增加的情形下,噪声降低约1 dB。     

基于Pareto的系统分解法及其在飞行器外形优化设计中的应用

针对飞行器外形设计这一复杂的多目标问题,开展了相应的多目标优化方法研究。采用系统分解法来降低大系统的复杂度是工程设计中常用的方法,但是传统的系统分解法在处理多目标问题时通常是把多目标问题转化为单目标问题,最后得到单一优化解。利用PARETO方法的特点,提出了基于PARETO的系统分解法来解决传统系统分解法使用中的这个问题,经过优化可以得到均匀分布的PARETO解集,便于进行分析比较和选择。最后针对具体算例进行气动与隐身特性的综合优化设计,经过一轮优化后,所得到的一系列优化方案其气动和隐身性能都有较大提高,不仅达到了期望的设计要求,而且可以对该解集进行分析比较,以选择需要的优化结果。     

基于伴随方法的飞翼布局多目标气动优化设计

针对飞翼布局气动设计中的多目标多约束设计问题,开展了基于伴随方法的气动优化设计研究。构建合理的统一目标函数,并根据伴随方法基本原理推导了相应的伴随方程边界条件及梯度求解方程,采用N-S方程和伴随气动优化设计方法,进行了2种不同展弦比飞翼布局的跨声速减阻优化设计,优化结果表明:在满足气动、几何约束的前提下,飞翼布局跨声速激波阻力被很大程度削弱,证明了所发展的方法在飞翼布局多目标多约束气动设计上具有较高的优化效率和良好的优化效果。     

基于FCE方法的超声速机翼厚度分布优化

远场组元(Far-field Composite Element,FCE)激波阻力优化方法是基于类别形状函数变换(Class Shape Transformation,CST)参数化方法发展出的一种超声速飞行器气动外形优化方法。文章使用CST参数化方法对超声速客机的大后掠机翼进行外形参数化,并以机翼容积和局部相对厚度为约束条件,使用FCE方法对其厚度分布进行以激波阻力最小为设计目标的快速优化。与原机翼相比,FCE优化方法使机翼激波阻力系数降低达61%,是超声速飞行器概念设计阶段降低激波阻力十分有用的优化方法。     

全尺寸起落架的气动及声学特性分析

起落架气动噪声是机体噪声的一大重要来源,其噪声特性的研究分析对于低噪声起落架的设计具有重要作用。基于FL-52声学风洞实验测试技术和耦合尺度自适应模型/声扰动方程的高精度混合数值方法,针对某支线飞机全尺寸起落架模型,开展了气动噪声实验测试和数值预测结果对比分析。该起落架模型是一个高保真的详细模型,包含了横向支杆、扭力臂、活塞杆、机轮等部件。对比分析了起落架机轮壁面静压分布、脉动压力功率谱密度、气动噪声源分布、总声压级指向性等特征,并比较远场传感器和安装在机轮凹腔中局部传感器的测量与数值结果,以表征机轮凹腔纯音的方向性,了解它们对远场噪声的贡献。结果表明,所采用的气动噪声混合数值方法可准确量化起落架近/远场的气动噪声。起落架机轮内、外侧凹腔存在560 Hz和960 Hz频率的纯音,最大声压级峰值可达136 dB,且纯音可辐射到起落架机轮非分离区域的表面。而位于起落架机轮湍流区域的测点,其壁面压力频谱曲线呈宽频特征,未出现明显的纯音。从远场噪声指向性来说,起落架前传噪声总体趋势上大于后传噪声,并且在65°和110°位置存在较小的总声压级区域。当远场测点达到一定距离后,起落架远场噪声呈现宽频...     

通用飞机翼身整流罩优化设计

在飞机飞行的流场中,飞机的各部件存在着相互干扰。机翼、机身交接处的干扰,造成相应的阻力增加,为减少阻力,对原始模型及机翼上移后用CATIA进行整流、修型优化设计后的模型气动特性进行了对比。随着CFD技术的日益成熟,飞机气动外形设计更趋于精细化,对翼身整流罩而言,其外形的设计对飞机气动特性影响很大,因此对翼根整流罩进行具体的分析研究很有现实意义。     

遗传算法结合反设计的翼型优化设计研究

针对传统的气动外形优化设计存在计算量大、精度低的不足，以及采用余量修正方法的气动外形反设计存在难以提供合理目标压力的难题，为了提高已有气动外形设计方法的工程实用性，创新性地将优化方法中的遗传算法与反设计的余量修正方法相结合，并采用高精度的CFD分析方法，进行了翼型的气动外形设计。设计实践表明，文中的气动外形设计方法是可行的，且由于在优化方法和反设计方法中采用了不同的CFD分析方法，提高了气动外形设计的效率和精度。     

军用中型涡桨运输机高温高原性能设计

本文提出了一种通过改型设计提升涡桨运输机高温高原性能的多学科优化设计方法,其主要内容包括高原机场起降性能设计需求研究、大功率动力系统集成、起飞构型气动优化设计、刹车系统改进设计等。通过相应的改进设计以较小的设计改动量解决了飞机在高原条件下运力低、起降、爬升性能差等问题,加强飞机的高原适应性。     

计及季节与趋势因素的综合能源系统负荷预测

针对复杂影响因素下综合能源系统月度负荷预测精度低的问题,提出基于时间序列特征分解的月度负荷预测模型.利用时间序列分解方法将负荷数据分解为季节分量、趋势分量与随机分量,根据各分量随时间变化的特性,分别采用向量自回归模型、最小二乘支持向量回归与平均值法进行预测.各分量预测结果的投影重构值作为月度负荷的预测值,并考虑了季节拐点与区域经济因素对月度负荷的影响.实例分析证明该方法能够有效提高综合能源系统的月度负荷预测精度.     

计及季节与趋势因素的综合能源系统负荷预测

针对复杂影响因素下综合能源系统月度负荷预测精度低的问题,提出基于时间序列特征分解的月度负荷预测模型.利用时间序列分解方法将负荷数据分解为季节分量、趋势分量与随机分量,根据各分量随时间变化的特性,分别采用向量自回归模型、最小二乘支持向量回归与平均值法进行预测.各分量预测结果的投影重构值作为月度负荷的预测值,并考虑了季节拐点与区域经济因素对月度负荷的影响.实例分析证明该方法能够有效提高综合能源系统的月度负荷预测精度.     

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。     

复杂3维外形霜状冰数值模拟

3维复杂外形结冰数值模拟是目前飞机结冰预测中的一个难题。结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,发展了一种结冰面沿法向网格线方向曲线增长的移动边界技术,对DLR-F4、某民机着陆构型的霜状冰进行了数值模拟。计算结果表明所发展的方法以及相应的计算代码是有效的。对比发现,结冰会明显破坏飞机的气动特性,短时间的结冰就使得飞机升力降低,阻力增加。     

某型飞艇外形多目标优化设计及其决策

飞艇的外形设计直接影响了飞艇的飞行性能、气动特性以及结构重量。文中以飞艇的阻力最小以及结构重量最轻作为优化目标,采用多目标粒子群优化算法对某型飞艇的外形进行了多目标优化设计。实际工程设计中,存在的诸多扰动因素会影响设计方案的性能。由于飞艇体积庞大且气囊为柔性材料,扰动因素对于飞艇的性能影响尤为明显。为此,文中提出了一种"基于信噪比的多目标决策方法"。该决策方法以信噪比为准则,不仅可以方便地对多个设计方案进行评价和排序,而且考虑到了工程实际中误差的客观存在,具有较大的工程应用价值。采用基于信噪比的多目标决策方法,从飞艇外形多目标优化的非劣解集中选择出最稳健的设计作为该型飞艇外形的最终设计方案。