CN111324932B - 一种跨声速自然层流短舱优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跨声速层流短舱优化设计方法，采用压力分布设计和减阻优化设计分段优化设计策略，可快速设计得到短舱层流段要求的顺压压力分布，并有效弱化短舱外壁的激波强度，得到满足设计要求的自然层流短舱。本发明具有较强的适用性，不仅适用于单独短舱的跨声速自然层流高效设计，对翼吊短舱同样可以实现高效的跨声速自然层流设计。

Description

一种跨声速自然层流短舱优化设计方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种跨声速自然层流短舱优化设计方法。

背景技术

为追求经济性和环保性，国际上对民用航空飞行器的燃油消耗和排放提出了越来越高的要求。减小气动阻力是空气动力学设计的关键任务，对飞机燃油效率和环保指标都有重大的影响，是全局综合性的关键技术之一。随着现代精细化气动分析技术和高效率优化设计方法的发展，气动减阻优化设计方法的收益越来越小。采用层流技术减小摩擦阻力已经成为进一步提高民机巡航经济性的必由之路。

大涵道比涡扇发动机技术的快速发展带来了发动机几何尺寸的迅速增加，发动机阻力占全机阻力的比重也迅速增加，而短舱表面的摩擦阻力是短舱阻力的重要来源之一，因此对短舱外表面进行自然层流设计，能有效减小摩擦阻力，提升全机的经济性。此外发动机短舱对升力、力矩等气动性能要求较低，约束较少；且不受附着线转捩问题的影响，因此短舱的层流减阻设计具有较高的可行性。经自然层流设计的短舱称之为自然层流短舱。

在追求环保性和经济性之外，民机也追求更高的巡航速度以缩短飞行时间，因此其发动机要在跨声速工况下工作，会导致发动机短舱外表面不可避免地遭遇激波的干扰，需要对短舱精心设计，控制好短舱外壁的激波位置和激波强度，减小其阻力和对机翼的干扰。

对自然层流短舱来讲，上述两种要求存在的困难在于，在短舱上实现自然层流需要将其头部的压力分布设计为一段较长的顺压，但由此会导致其外壁的激波增强并向下游移动，进而进一步增加了在短舱外壁控制激波位置和弱化激波强度的难度。

短舱作为一种特殊的类圆柱体构型，其外流具有显著的三维流动特征，不同于翼型、机翼等构型的二维或近似二维流动。因此，在自然层流短舱的优化设计中，原先在翼型、机翼设计中所使用的二维翼型层流设计方法对短舱来讲已不适用，需要直接针对三维短舱外形来开展短舱的自然层流优化设计。在优化设计中，直接三维短舱的CFD计算需要花费较长的时间，而其自然层流设计难度的增加会降低优化效率，进一步导致了优化时间的增加。

发明内容

为解决现有技术的困难，实现对自然层流短舱的快速优化设计，并能够实现短舱层流段顺压压力分布形态要求，以及有效弱化短舱外壁激波强度的设计目标，得到满足设计要求的自然层流短舱，本发明提出了一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，可对三维短舱开展压力分布设计，得到具有指定层流区长度和弱激波的自然层流短舱构型，提高优化设计效率，从而大幅缩短优化时间。

本发明的技术方案为：

所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，并给出短舱的几何及气动约束；

步骤2：对初始短舱外形进行参数化造型；计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布；

步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计：

以短舱外形为优化参数；

在设定的压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，快速获得压力分布；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化，获得满足几何与气动约束、压力分布约束的优化结果；

步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计：

以短舱外形为优化参数；

对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，提取压力分布；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，气动性能中的压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。

进一步的优选方案，步骤2中对初始短舱外形进行参数化造型的方法包括CST参数化方法、FFD或改进的FFD参数化方法。

进一步的优选方案，步骤3和步骤4的优化过程中，采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形。

进一步的优选方案，短舱控制剖面为短舱周向任意站位需要进行设计的控制剖面。

进一步的优选方案，步骤3中，采用速度势方程求解器或欧拉方程求解器进行流场计算。

进一步的优选方案，步骤4中，采用RANS方程求解器进行流场计算。

进一步的优选方案，步骤4中，通过引入代理模型替代部分流场计算以提高优化效率。

进一步的优选方案，步骤3和步骤4中设定的压力分布设计区间、维持层流所需的最小顺压梯度、顺压区长度信息是根据预先对已有自然层流设计试验研究成果总结来确定的。

进一步的优选方案，步骤3和步骤4中采用的优化算法包括群体智能全局优化算法、代理优化算法或梯度优化算法。

进一步的优选方案，步骤3和步骤4中采用的网格变形方法包括无限插值网格变形方法、径向基函数插值网格变形方法、旋转四元数插值网格变形方法或IDW逆距离权重插值网格变形方法。

有益效果

本发明提供了一种跨声速层流短舱优化设计方法，采用压力分布设计和减阻优化设计分段优化设计策略，可快速设计得到短舱层流段要求的顺压压力分布，并有效弱化短舱外壁的激波强度，得到满足设计要求的自然层流短舱。本发明具有较强的适用性，不仅适用于单独短舱的跨声速自然层流高效设计，对翼吊短舱同样可以实现高效的跨声速自然层流设计。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的跨声速自然层流短舱优化设计方法

图2：本发明的压力分布设计和减阻优化设计阶段的优化流程

图3：本发明的跨声速自然层流短舱优化实例外形及设计剖面

图4：本发明的优化设计中所用的改进的FFD参数化方法控制框

图5：本发明的优化实例的初始外形的指定剖面压力分布

图6：本发明的优化实例在压力分布设计阶段的优化结果的剖面翼型对比

图7：本发明的优化实例在压力分布设计阶段的优化结果的剖面压力分布对比

图8：本发明的优化实例的减阻优化设计阶段优化结果的剖面翼型对比

图9：本发明的优化实例的减阻优化设计阶段优化结果的剖面压力分布对比

具体实施方式

本发明旨在提供一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，可对三维短舱开展压力分布设计，得到具有指定层流区长度和弱激波的自然层流短舱构型，提高优化设计效率，从而大幅缩短优化时间。

本发明提供的一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，如层流区长度以及短舱减阻要求，并给出短舱的几何及气动约束。

步骤2：选择合适的参数化方法，如CST参数化方法、FFD或改进的FFD参数化方法NFFD、EFFD对初始短舱外形进行参数化造型。利用流场求解器计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布。其中流场求解工具可选用速度势方程求解器、欧拉方程求解器以及RANS方程求解器等。

步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计，将短舱层流段的压力分布设计为顺压分布，以延长层流区，减小摩擦阻力。这里的大设计空间是相对步骤4中的小设计空间而言，并非需要体现具体的设计空间范围：

以短舱外形为优化参数；

在设定的短舱压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；其中设定的压力分布设计区间、维持层流所需的最小顺压梯度、顺压区长度等关键信息是根据预先对已有自然层流设计试验研究成果进行总结来确定的。

改变参数化短舱外形，例如采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形，并进行网格变形以获取计算网格，例如采用无限插值网格变形方法、径向基函数插值网格变形方法、旋转四元数插值网格变形方法或IDW逆距离权重插值网格变形方法；采用低精度高效的速度势方程求解器进行流场计算，以迅速获得压力分布形态，计算短舱的气动性能；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。

若优化结果无法满足设计要求，则修改约束和压力分布设计区间重新进行压力分布优化设计。

步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计，以减小压差阻力包括激波阻力：

以短舱外形为优化参数；

对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的RANS方程求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，获得压力分布，为提高优化效率，可以引入代理模型替代部分流场计算；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，以气动性能中压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。

上述压力分布设计和减阻优化设计，均需要建立合适的气动优化设计平台，选用合适的数值优化算法，从输入的初始构型出发，生成一组初始设计变量，利用参数化方法改变短舱外形，利用网格变形技术获得相应计算网格，利用流场求解工具计算其气动性能，提取压力分布，将气动结果反馈给数值优化算法，生成一组新的设计变量，重复这一流程，直至满足收敛条件和设计要求，结束优化并输出设计结果。数值优化算法可采用群体智能全局优化算法、代理优化算法、梯度优化算法等。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，如层流区长度以及短舱减阻要求，并给出短舱的几何及气动约束。以单独短舱的自然层流优化设计为例，对于选定的初始短舱构型，其具有典型的全湍短舱特征，其转捩位置发生在短舱唇口前缘，层流区长度不超过短舱长度的5％，现针对该短舱进行自然层流设计，要求层流区长度最大达到30％，短舱阻力减小2counts。

步骤2：选择改进的FFD参数化方法对初始短舱外形进行参数化造型，FFD控制框如图4所示。利用流场求解器计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面(短舱在0deg、90deg、180deg以及270deg四个站位的控制剖面，如图3所示)的压力分布(四个剖面的压力分布如图5所示)。

步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计，将短舱层流段的压力分布设计为顺压分布，以延长层流区，减小摩擦阻力。

以短舱外形为优化参数；

在指定的0deg、90deg、180deg以及270deg四个控制剖面的压力分布设计区间内，分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束，并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形，并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的速度势方程求解器进行流场计算，以迅速获得压力分布，计算短舱的气动性能；

以气动性能中的最大层流区长度大于短舱长度的30％为优化目标，对短舱外形进行优化；

若优化结果无法满足设计要求，则修改约束和压力分布设计区间重新进行压力分布优化设计。

初始短舱和步骤3得到的优化结果各剖面翼型对比如图6所示，压力分布对比如图7所示。

步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计，以减小压差阻力包括激波阻力：

以短舱外形为优化参数；

对指定的0deg、90deg、180deg以及270deg四个控制剖面分别施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束，并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形，并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的RANS方程求解器进行流场计算，获得压力分布形态，计算短舱的气动性能，为提高优化效率，可以引入代理模型替代部分流场计算；

以气动性能中的最大层流区长度大于短舱长度的30％为约束，以减小压差阻力为优化目标，对短舱外形进行优化，以使短舱阻力减小2counts。

初始短舱和步骤3的优化中间构型以及步骤4的最终优化构型的各剖面翼型对比如图8所示，压力分布对比如图9所示。

上述压力分布设计和减阻优化设计，均需要建立合适的气动优化设计平台，在本实例中所选的数值优化算法为NSGA-II群体智能优化算法，从输入的初始构型出发，生成一组初始设计变量，利用改进的FFD参数化方法改变短舱外形，利用径向基函数插值网格变形技术获得相应计算网格，利用速度势方程求解器和RANS方程求解器两种流场求解工具计算其气动性能，提取压力分布，并将气动结果反馈给数值优化算法，生成一组新的设计变量，重复这一流程，直至满足设计要求结束优化并输出设计结果。

优化结果最大顺压长度超过30％，激波强度有所减弱，相比初始短舱减阻2.5counts，实现了跨声速状态下短舱的自然层流设计。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，并给出短舱的几何及气动约束；

步骤2：对初始短舱外形进行参数化造型；计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布；

步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计：

以短舱外形为优化参数；

在设定的压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，快速获得压力分布；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化，获得满足几何与气动约束、压力分布约束的优化结果；

若优化结果无法满足设计要求，则修改约束和压力分布设计区间重新进行压力分布优化设计；

步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计：

以短舱外形为优化参数；

对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；

改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，提取压力分布；

以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，气动性能中的压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。

2.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤2中对初始短舱外形进行参数化造型的方法包括CST参数化方法、FFD或改进的FFD参数化方法。

3.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤3和步骤4的优化过程中，采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形。

4.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：短舱控制剖面为短舱周向任意站位需要进行设计的控制剖面。

5.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤3中，采用速度势方程求解器或欧拉方程求解器进行流场计算。

6.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤4中，采用RANS方程求解器进行流场计算。

7.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤4中，通过引入代理模型替代部分流场计算以提高优化效率。

8.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤3和步骤4中设定的压力分布设计区间、维持层流所需的最小顺压梯度、顺压区长度信息是根据预先对已有自然层流设计试验研究成果总结来确定的。

9.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤3和步骤4中采用的优化算法包括群体智能全局优化算法、代理优化算法或梯度优化算法。

10.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：步骤3和步骤4中采用的网格变形方法包括无限插值网格变形方法、径向基函数插值网格变形方法、旋转四元数插值网格变形方法或IDW逆距离权重插值网格变形方法。

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