无参数自适应罚函数的高效代理模型优化设计方法

在飞行器气动外形优化设计中,复杂约束条件导致设计空间可行域呈现不连续的特征,且理想解大多靠近约束边界,传统高效代理模型方法难以适用。研究了参考点对优化设计的影响,提出了一种考虑约束的参考点选择机制;对于最优解靠近边界的问题,罚函数法更加有效,但惩罚因子的设置对于罚函数方法影响很大,不合适的惩罚因子反而会损害优化效率,分析了优化过程中罚函数方法对惩罚因子的要求,提出了一种无参数自适应罚函数的代理模优化设计方法,引入基于样本分析的惩罚项,结合归一化目标值和约束值,在优化过程中动态调整惩罚因子,使优化能够尽可能地聚焦于可行域内,迅速收敛到最优解,实现样本的高效配置。通过带约束的函数算例和翼型优化算例证实,所提方法可以大幅提高飞行器气动外形优化设计效率。

基于深度神经网络的高阶非线性激波判别式

超声速流动数值模拟中准确识别激波位置对求解飞行器气动特性十分关键,传统的人工构造激波识别方法严重依赖于经验参数,在实际应用中存在一定局限性。为了建立更加通用的激波识别方法,采用深度神经网络构建了高阶非线性激波判别式。在生成了训练数据集与测试数据集的基础上,构建深度前馈神经网络并训练该模型使其满足激波识别预测精度,并通过一维Lax、Sod激波问题及二维超声速无黏圆柱绕流算例验证了该判别式的准确性。结果表明,本文构建的高阶非线性激波判别式相较于人工构造的激波识别器能更加精准地判别光滑区域和激波区域,在不同来流马赫数、不同网格分布条件下均能准确识别出激波位置,但激波识别精度依赖于网格分辨率。

翼型研究的历史、现状与未来发展

“翼型”俗称翼剖面或叶剖面,是飞机机翼及尾翼、导弹翼/舵面、直升机旋翼、螺旋桨、风力机叶片等外形设计的基本元素和气动力的“基因”,也是影响综合气动性能的核心因素之一。自20世纪初莱特兄弟发明人类第一架飞机以来,翼型研究的每一次重要突破,都有力促进了航空飞行器的更新换代或性能的大幅提升。除了发展RAE、DVL、NACA、TsAGI等通用翼型族外,研究者们还针对性地发展了适用于各类飞机的翼型族,以及适用于直升机旋翼、螺旋桨和风力机叶片的专用翼型族。进入21世纪,随着现代数值模拟方法、流动稳定性与转捩预测、优化设计、试验测试技术等研究的进步,各种新的设计理念、优化方法和设计技术相继被提出,翼型研究也被赋予了新的使命和内容。本文立足飞行器设计和翼型研究的前沿,在回顾100多年来翼型发展历程的基础上,重点综述了翼型研究的最新进展,分析了研究现状,提出了未来发展方向。新一代翼型将适用于未来飞行器的发展需求,在宽速域、大空域、多物理场及智能变体等复杂使用条件下兼具优良的多学科综合性能。

超声速飞行器声爆/气动力综合设计技术研究

低声爆气动外形设计是超声速民机研发的一项关键技术。基于笛卡尔无黏求解器进行了典型民机构型的低声爆设计选型,主要研究了机身轴线弯曲度、机翼平面形状、机身截面积特征等因素对近场过压分布的影响,最终选型出一种超声速飞机气动布局。在此气动布局基础之上,结合自主研发的流场/声爆耦合伴随优化设计软件AMDEsign,在指定的低噪声水平声爆信号的条件下,通过对远场声爆信号进行高效反设计,实现了超声速低声爆气动外形的大规模设计变量数值优化,感觉噪声级大幅度降低,分析了外形变化对声爆抑制作用以及近场波系形态,同时也验证了综合设计技术的有效性。

k-ωSST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波−边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题,准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义.然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动,k-ωSST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成,导致包括k-ωSST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟.同时,现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度.为此,针对k-ωSST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法.前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制,后者则从湍流长度尺度概念出发,利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数,提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度.两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果.进一步的雷诺应力分析表明,三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立,各雷诺应力分量大小接近.网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.

低阻常规布局客机巡航阻力特性研究

对常规布局客机与机翼相关的减阻措施进行研究,通过减阻改善飞机性能。主要通过有层流流动机翼减小摩阻和弱激波机翼减小波阻,在机翼表面前缘维持一段层流区以减小摩阻,机翼剖面压力分布由中部顺压梯度区域向后缘逆压梯度区域和缓过渡形成弱激波减小激波阻力;机翼机身结合处加机身腹部整流增加结合处流速,减弱机翼机身结合处的附面层堆积,改善阻力性能;融合式翼梢小翼降低翼尖诱导阻力,研究小翼外形参数对降低诱导阻力、纵向力矩、偏航力矩的影响,得出降低翼尖诱导阻力效果好、力矩合适的翼梢小翼模型。由于翼身整流对机翼内翼段下表面的压力分布有显著影响,翼梢小翼会对翼尖的流动有重要影响,因此进行单方面的减阻是不可取的,需对与机翼相关的3种减阻措施进行一体化减阻设计研究,并对相应的减阻量进行评估,为常规布局类客机的减阻设计提供参考。通过对上述减阻措施的评估分析达到了减小阻力、提高常规布局客机巡航因子,改善飞机巡航性能的效果。

跨音速自然层流翼型反设计研究

基于Gappy POD降阶模型的数据重构方法提出反设计方法,由已知的翼型表面压力分布对缺失的目标翼型数据进行重构.在初始快照采样过程中,采用ΔCST方法对初始翼型进行扰动取样,并用反设计得到翼型替换基础扰动翼型,将新的快照加入原始快照库,反复迭代求解.针对层流翼型反设计,利用边界层转捩数值模拟程序获得快照向量的翼型压力分布.接着,提出两种不同的跨音速自然层流翼型的压力分布形态,通过构建的反设计方法得到两组不同的跨音速自然层流翼型,并详细研究了不同雷诺数及不同马赫数下,不同压力分布形态对转捩发生抑制能力的影响,同时研究其与阻力发散特性的协调性.

基于贝叶斯框架的旋翼气动力数据融合

由于气动环境的复杂性,旋翼在气动评估中存在较多不确定性且对旋翼性能影响较大。当前旋翼气动评估方法不能考虑气动数据不确定性,本文将数据融合技术应用于旋翼气动预测以在记及某些不确定因素影响的条件下,获得具有更高可信度的气动力分布及置信区间,为进一步开展旋翼气动数据的不确定度分析及工程应用奠定基础。基于不同来源的气动力数据均为正态分布的独立随机变量这一假设,将分布气动数据和测量值之间的关系作为融合准则,以实现最佳匹配测量值为目标,采用贝叶斯估计求解融合数据的最大后验概率分布,从而构建一种基于贝叶斯框架的气动数据融合方法。以UH-60A旋翼及Caradonna-Tung旋翼为例,采用所提方法进行不同来源气动数据的融合,对融合结果的估计方差与预测误差进行对比分析。结果表明,首先,所提方法对于输入数据的来源无特殊要求,能够给出融合结果的置信区间并降低不同来源数据的估计方差,基于此结果后续可进行不确定度分析与研究;其次,融合所得结果并不局限于不同来源数据之间,扩大了数据覆盖范围;最后,融合所得结果相比于单一数据来源更符合物理规律。

变体飞行器变形方式及气动布局设计关键技术研究进展

能够根据任务需求、飞行环境自适应改变外形来达到最佳飞行性能的变体飞行器已成为未来飞行器发展的重要方向之一。综述了变体飞行器变形方式及气动布局设计关键技术研究现状。首先,按照时间发展历程,将变体技术的发展分为简单机械变形、多维度柔性变形2个阶段。其次,按照变体部位和变形方式详细介绍了头部变体、机翼变体、动力装置变体和组合变体方案的发展历程和现状,重点阐述了可变后掠机翼、可变前掠机翼、折叠机翼、伸缩机翼、斜置机翼、连续变弯度机翼等机翼变体方案的研究进展,总结其在不同布局构型上的应用,并分析了各自的气动、操稳特性。之后,归纳了飞行器变体的实现目的,将其分为单域最优变构型、多域融合变构型、一器多能变构型3种。接着,与固定外形飞行器进行对比,梳理了变体飞行器因为变构型的实现而衍生的气动布局与总体协调设计、时变空气动力学效应评估、气动布局方案优化、多学科耦合设计等方面的关键技术难点,重点对变体飞行器动态气动力计算方法和气动优化设计技术的研究进展和现状进行了综述和分析。最后,展望了变体技术未来研究方向和发展前景,面向宽速域和大空域飞行需求,探索可以提高多飞行任务性能的新概念变形方式,建立智能变体设计模型及多学科强耦合一体化设计体系将成为重要发展趋势。

二元激波矢量喷管矢量性能敏感性分析

流体推力矢量技术因其响应快、重量轻、隐身性能好等优势被视为极低可探测布局飞行器发展的关键技术。目前针对流体推力矢量喷管性能的研究主要集中在单变量研究,开展流体推力矢量喷管多变量敏感性分析,有助于明确影响喷管矢量性能的关键参数,指导流体推力矢量喷管设计。基于非嵌入多项式混沌的敏感性分析方法开展了二元激波矢量喷管不同目标对外流马赫数、射流位置、射流角度、喷管落压比(NPR)、二次流压比(SPRt)、主流温比、次流温比共7个设计变量的全局敏感性及相关性分析研究。结果表明:矢量角和矢量效率对射流位置敏感性显著,推力系数对NPR、外流马赫数、二次流压比的敏感性较强,二次流流量比对NPR、SPRt较敏感,主流及次流总温与环境温度的比值对矢量性能的贡献主要体现在二次流流量比中。矢量角和二次流流量比的提升均导致推力损失,又以二次流流量比影响最大。外流马赫数的增大改变了喷管的实际压比,降低了喷管的矢量性能。二次流位置靠近喉道时,射流前分离延伸至喉道,射流后分离在大NPR下发生再附,喷管气动型面变化导致矢量性能下降,严重时发生矢量角反向。激波矢量喷管设计时应使射流位置靠近喷管出口,通过调整射流角度使喷管内弓形激波在给定NPR、SPRt下发展至喷管出口附近,从而在不增加二次流流量比的情况下提升矢量性能。合理的参数组合可以缓解外流马赫数增大对喷管矢量性能的负面影响,且可在不增大二次流流量比的情况下提升喷管矢量性能。

基于螺旋度的边界层横流转捩模型及其应用

针对实际层流设计与应用中的转捩预测需求,围绕三维边界层转捩中最常出现的横流不稳定性开展了建模和应用研究.结合对横流不稳定性机理的分析,在当地化转捩建模框架的基础上引入了一种适用于任意外形的、基于螺旋度概念的横流转捩建模方法,对其关键建模过程、数学推导和物理合理性等机理层面问题进行了更深入的讨论,并通过转捩标准算例和运输机、战斗机等航空外形应用实例的详细验证计算,全面评估了该模型的横流驻波转捩预测能力,同时结合计算参数设置和网格收敛性分析等给出了若干应用指南.本文工作对于理解横流转捩物理特性、建模思想及开展算例模拟具有参考价值.

飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究

基于自主研发的大规模并行结构化网格雷诺平均Navier-Stokes(RANS)求解器PMB3D以及流固耦合代码FSC3D建立了飞行器静气动弹性数值模拟技术,进一步基于并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了Navier-Stokes方程与结构动力学方程耦合离散伴随的推导、构造。对各个学科伴随变量进行延迟处理,进行耦合伴随系统的解耦,学科之间的影响通过右端强迫项的形式在方程中体现,通过松耦合形式进行各个学科方程右端项数据传递,各个学科的伴随方程一定程度上能够相对独立,进一步实现了基于LDLT方法的结构伴随方程的高效求解;对典型客机柔性机翼进行梯度信息求解,并与考虑气动弹性影响的差分结果进行对比分析。数值模拟结果表明,延迟耦合伴随形式更有利于保持原有程序结构形式以及程序模块化,梯度计算精度完全满足优化设计需要,能够为柔性机翼飞行器气动/结构多学科优化设计提供研究基础与技术平台。

自适应设计空间扩展的高效代理模型气动优化设计方法

对基于Kriging模型气动优化的加点方法和设计空间的构建问题进行了研究。首先,针对高效全局优化(EGO)方法收敛缓慢的问题,提出了一种混合加点方法,该方法通过引入期望提高(EI)阈值控制EI和最小预测值(MP)加点准则,利用先全局再局部的优化思想,提高了EGO方法在确定设计空间内的收敛性。其次,针对设计空间的构建问题,对比了扩大设计变量范围和多轮优化两种不同的设计空间构建方法,分析了设计变量范围对设计空间大小和样本密度的影响,进而提出了自适应设计空间扩展的代理模型优化方法。相对于传统固定设计空间的方法,自适应设计空间扩展的方法在动态的设计空间中进行优化搜索,只在有潜力的维度扩展设计变量范围,通过构建自适应设计空间,实现了样本的高效配置。最后,通过ADODG标准翼型优化算例证实,自适应设计空间优化方法可以大幅提高气动优化设计效率。

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例,对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证,以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性,提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定,基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序,为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换,并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则,简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录,实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配,将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外,对小型超声速公务机开展了声爆优化,对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。

民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望

系统回顾了气动外形优化的主要环节,对优化体系中学科分析、参数化建模、网格重构技术、敏度分析、优化算法、代理模型、目标函数/约束处理等各个环节的进展,及气动综合优化面临的挑战、基础科学问题进行了总结。结合课题组在优化体系建设上开展的研究工作,针对民用飞机气动外形综合设计的需求,提炼了工程型号对优化体系构建的具体要求。并对今后的研究工作以及未来发展方向进行了展望与建议。通过文章系统整理论述,希望能够为气动数值优化设计研究人员提供一些有意义的建议和参考,促进设计空气动力学、以及多学科优化技术的发展。

飞行器多学科耦合伴随体系的现状与发展趋势

多学科耦合伴随方法具有多学科耦合灵敏度计算量与各个学科设计变量个数均基本无关等优点,是一个值得关注的发展方向。面向气动、电磁、声学、结构、红外等与飞行器设计息息相关的学科,针对多学科耦合伴随方法的优势、现状、难点以及未来发展趋势开展研究与论述,系统性地分析了单一学科、多学科伴随方法的核心内容、关键技术与发展现状,对边界条件处理、交叉学科雅克比推导以及大型稀疏矩阵存储处理、求解等关键技术进行系统讨论,针对典型的关键环节和基础科学问题,给出了研究思路与解决方案,并进一步展望了多学科耦合伴随理论与应用发展趋势。希望能够为从事多学科伴随优化方法与应用的研究人员提供有意义的参考,促进多学科耦合灵敏度这一基础科学问题以及基于高保真度分析手段的多学科优化(MDO)技术的发展。

大型民用飞机气动外形典型综合设计方法

基于自主研发的飞行器气动外形大规模并行化、分布式综合设计软件AMDEsign,开展了大型民用飞机气动外形多目标综合设计,研究了处理高维目标空间多目标优化问题的有效处理方式,为优化数学模型的合理确定提供数据参考。在此基础之上,基于软件AMDEsign的主分量分析(PCA)、离散伴随方法两个典型模块,对宽体飞机数字化模型开展多目标优化,其中离散伴随方法中引入虚拟可行解集逼近方法,为权系数提供有效的导向性选择;并进一步将结果进行多目标评估分析,设计结果表明,主分量分析能够有效识别目标函数的相关性,虚拟可行解集方法效率较高,充分利用了离散伴随效率高以及导向性权函数预测等优点,多点设计外形在巡航升阻比、抖振特性以及阻力发散等性能上具有明显改善。文中提出的综合设计方法简捷高效且具有较强的工程应用价值。

基于代理模型全局优化的自适应参数化方法

对于翼型气动隐身设计问题,设计变量的配置对设计结果影响很大,而简单地增加设计变量不能保证得到理想的结果。提出一种适用于代理模型全局优化的自适应参数化方法:利用全局敏感性分析方法——基本效应法,得到设计空间关于目标函数的敏感区域信息,并以此为根据增加设计变量;利用节点插入算法将低维样本在高维空间内进行重构,避免了重新取样的工作量。相对于传统固定设计空间维度方法,自适应参数化方法在设计空间的敏感区域扩展维度,能够更加精准地描述外形并反映目标的变化趋势。通过飞翼布局翼型的气动隐身优化算例,证实自适应参数化方法可以大幅提高优化设计质量和效率。

非稳定动态过程非定常气动力建模

现有的大迎角非定常气动力建模方法,通常是以一个或多个频率的稳定振动试验数据来预测稳定滞环。然而,飞机快速机动如过失速机动的过程,不可能是持续的稳定振动,而是一个非稳定的动态过程。因此,这个过程中的气动力不会达到稳定滞环,而是始终处于进入滞环的初始非稳定过程中。基于振动理论分析得出,非定常气动力的动态响应过程存在非稳定和稳定两个阶段,传统建模方法着眼于稳定阶段,而飞机的真实机动过程在非稳定阶段。设计了一种适于非线性系统辨识的激励输入,并以最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法为例,实现了在大迎角区幅值和频率范围内任意运动的非定常气动力建模。模型训练完成后,用来预测某机翼在不同基准状态下大迎角范围内做俯仰运动时的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数。结果表明,不仅稳定滞环实现了准确预测,进入滞环的初始非稳定过程也得到了准确预测;此外,基准状态对气动力在初始非稳定过程中的特性存在明显影响。进一步的验证还表明,基于稳定滞环数据只能预测到稳定滞环,无法预测进入滞环的非稳定过程。

分布式电推进飞机气动-推进耦合特性地面试验

在绿色航空的研究中,分布式电推进(DEP)飞机因其在推进系统的高能量效率展现出巨大的应用潜力。但与传统推进方式的飞机相比,分布式电推进飞机在飞行时存在较强的气动-推进耦合现象。为探究分布式电推进飞机动力系统特性与气动-推进的耦合特性,设计了一套低成本的分布式电推进飞机气动-推进系统地面测试平台,通过地面试验,首先对动力系统的性能开展评估,随后通过地面试验结合数值模拟的方法对分布式电推进技术验证机的气动性能及其气动-推力耦合关系开展了研究。结果表明:涵道对边界层的抽吸效应使得上翼面的气流加速,导致上下翼面形成更大的压强差,使得升力增加;而升力增加引起的气动焦点后移现象,需要引起重视。研究结果为分布式电推进飞机的总体设计提供了参考。