高速飞行器气动控制耦合优化设计方法研究

针对传统串行设计过程由于空气动力学和控制系统数学模型复杂、无法综合考虑气动和控制的多目标优化的问题,提出了一种面向高速飞行器气动控制耦合优化设计方法。基于气动单学科代理优化(SBO)算法,将飞行器主动控制技术(ACT)的思想与多学科优化方法(MDO)相结合,构建了高速飞行器气动控制耦合多目标优化流程架构。在2马赫来流条件下,对带有控制舵的双锥体外形开展了气动耦合优化设计研究,以提升飞行器的气动性能和控制能力为优化目标。结果表明:经过气动控制耦合优化后的最优模型在超声速环境下,升力系数和升阻比分别提升了0.401%、2.999%,同时超调量与控制增益分别降低了2.769%、0.655%,气动性能和控制能力得到提升,验证了耦合策略的可行性;气动控制耦合优化的最优模型不仅使飞行器在超声速工作环境下性能更卓越,还有助于降低后续控制系统的设计难度,提高飞行器设计效率。所提气动控制耦合优化设计方法为高速飞行器的先进设计提供了必要的技术支撑。

Aerodynamic design of three-stage vaneless counter-rotating turbine

An aerodynamic design criterion was discussed for the 1+3/2 counter-rotating turbine by analyzing the velocity triangles.There are 8 key aerodynamic parameters in the criterion,based on the consideration of aerodynamic efficiency and some strength requirements.Then,an aerodynamic design for the 1+3/2 counter-rotating turbine was made according to the criterion,and a three-dimensional simulation was conducted for it.Finally,the conclusions were obtained.The criterion containing 8 key aerodynamic parameters is verified rationally and the efficiency of the turbine reaches 91%.The aerodynamic characteristics of 1+3/2 counter-rotating turbine are mainly decided by the load coefficient,and due to an optimal power distribution coefficient of the low pressure turbine,the efficiency of the low pressure turbine can be best.

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术。喷管总长18m,具有马赫数1.5～4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型。该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正。该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正。调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的。

超声速燃烧冲压发动机进气道起动性能研究

采用等激波强度设计方法,并考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,对唇口平直和唇口带有斜楔的超燃冲压发动机二维混压式前体/进气道进行了初步设计,比较分析了几种方案进气道的设计点和非设计点性能,研究表明,在低飞行马赫数(Ma)下,唇口带有斜楔的前体/进气道起动性能和总压恢复优于唇口平直的,在高飞行Ma下,唇口平直的前体/进气道冲压比高、外罩阻力小,而唇口带有斜楔的前体/进气道总压恢复系数高,外罩阻力相对较大。针对超声速燃烧冲压发动机燃烧室和进气道间非定常干扰的问题,计算研究了飞行Ma=4,6下,燃烧室压力升高对进气道/隔离段流场和起动性能的影响,结果表明,在低飞行Ma条件下,燃烧引起的压力扰动容易往上游传播,甚至引起进气道不起动;随着飞行Ma的增大,隔离段的抗扰动能力是增强的;当进气道进入不起动后,进气道的捕获流量和总压恢复系数急剧下降,高飞行Ma时的捕获流量的下降幅度比低飞行Ma时大。

非对称来流隔离段流动特性研究

设计了针对非对称超声速来流矩形隔离段流场研究的直联式试验风洞,在模拟进气道出口流场的各种非对称进口条件下进行了吹风试验。研究发现,随隔离段进口流动非对称程度的增加,在相同的进出口压比下,激波串长度增加;在同样的激波串长度下,隔离段耐受反压的能力下降。首次提出表征非对称入口条件的非对称度因子Dδ和Dθ,并将因子Dθ引入到矩形隔离段激波串长度计算公式,得到了预测非对称来流隔离段激波串长度的新公式,该公式预测激波串长度与实验结果吻合良好。

超音速喷嘴叶栅造型设计及数值分析

分析了超音速喷嘴内部的流动机理并研究了超音速喷嘴的设计方法,对某液体火箭发动机用氢涡轮超音速喷嘴叶栅进行了改型设计。设计采用尖边喉部和光滑过渡喉部两种方法,其中光滑过渡喉部喷嘴型线设计采用具有局部修改能力的三次非均匀B样条曲线。对超音速喷嘴叶栅复杂内流的全三维数值模拟结果表明:改型叶栅流动性能明显改善,效率提高,光滑过渡喉部喷嘴性能优于尖边喉部喷嘴。

高速飞行器红外制冷头罩设计

高速飞行器在大气层内高速飞行时,其头罩表面受大气气流的影响产生严重的气动光学效应。为了降低气动加热对头罩和侧窗结构材料的强度与刚度的影响,从侧窗制冷方式选择与设计、侧窗材料选择与设计、罩体材料选择与设计等方面进行研究,设计出了高速飞行器光学制冷头罩。

吸附式低反动度超、跨音速轴流压气机气动设计原理及其验证

当增加动叶转角以进一步提升超、跨声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了吸附式低反动度超、跨声速轴流压气机气动设计原理。分析了在该气动设计原理指导下,级内参数的演变规律与相互影响。利用该气动设计原理完成了一高负荷超声速轴流压气机气动设计,三维粘性数值模拟结果表明,在叶尖切线速度370m/s的前提下,实现了一级压比2.5,效率87%的压气机级设计。

超临界机组末级叶片典型截面的叶型设计

针对超临界机组末级长叶片的设计特点,采用遗传算法和人工神经网络,提出对长叶片典型截面叶型进行分区优化设计思想,并对原型与改型进行了多工况点的数值计算,结果表明,将叶型吸力侧后半段由直线型改为内凹型,能够显著降低超声速叶型在超声速工况范围内的叶型损失。对叶型前缘以及压力侧的局部优化设计能够改善超声速叶型在临界马赫数工况下的气动性能。优化设计最大程度地减小了样本空间,提高了优化效率。

复合材料壁板热颤振的有限元分析

壁板颤振是发生在高速飞行器上的一种典型的超音速气动弹性现象。在超音速飞行器的设计中,由于气动加热效应相当剧烈,考虑热效应的壁板颤振问题成为一个不可忽视的气动弹性问题。文中采用vonKarman大变形应变-位移关系、气动力活塞理论以及准定常热应力理论建立了考虑热效应的复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型。使用计及壁板横向剪切效应的三结点三角形Mindlin板单元(MIN3单元)推导出考虑热效应的颤振有限元方程,并给出了在频域和时域求解其颤振方程的方法。分别对一个矩形复合材料壁板和梯形复合材料壁板,计算出壁板的颤振边界并分析了温度对壁板颤振边界的影响规律。

弯叶片对超声速流动的影响

针对弯叶片可以减少激波损失且作用机理不明的问题,对工业汽轮机中跨声速、超声速流动条件下弯叶栅进行了数值研究,分析了弯叶片对流场结构的影响,并为此设计了叶片弯角分别为0°、±5°、±10°、±15°、±20°、±25°的11种正、反弯角静叶方案,弯叶片弯高为50%展向,叶根与叶顶弯角相同。研究结果表明:弯叶片改变了激波结构,这一作用在不同的超声速条件下是相同的;在压比较大、流量较小的条件下,工业汽轮机采用超声速设计是可行的。弯叶片在超声速条件下可以降低叶栅损失,且存在最优值;相对于亚声速流动,超声速动叶吸力面上的损失减小;11种方案下静叶片正弯设计对动叶压力面影响较小,静叶片反弯设计对动叶压力面与吸力面均有较大影响。该结果可为工业汽轮机超声速设计、研究提供参考。

超音速复速级涡轮的气动设计改进

采用数值模拟方法对某液体火箭发动机超音速复速级涡轮进行了流场分析。根据分析结果对两列动叶的叶型进行了改进设计:第一列动叶栅的改进采用自由旋流法,通过等通道的叶栅流道设计,减弱了激波对附面层的干扰,有效抑制了流道内的流动分离;第二列动叶栅的改进采用参数化叶片造型法,型线用具有局部修改能力和保凸性较好的Bezier曲线表示,通过减小入口攻角降低了分离损失。数值模拟结果表明,改进后的复速级涡轮内部流动特性改善显著,分离损失明显减小,效率提高了5%以上。

三维超声速压力反问题的特征线求解技术

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,基于双特征线理论及Butler解法,研究了三维超声速流线压力反问题的适定性。为了确保解的唯一性,提出在限定壁面膨胀/压缩方向时存在壁面压力与三维坐标的一一映射关系。基于该映射关系,提出了三维压力反问题的双特征线求解技术(iMOC-3D求解器)。采用Prandtl-Meyer膨胀波、Busemann进气道的理论解,对iMOC-3D求解方法的膨胀、压缩过程进行了精度评估,误差均为1×10^(-4)量级。为了进一步验证设计方法的可靠性和易控性,设计了进口为矩形和三角形的超声速喷管;通过设计壁面压力分布,完成了均匀膨胀的轴对称喷管设计,并将设计结果与数值模拟进行对比验证。研究表明:预设三维流线下游未知点的压力值,存在多个流动方向满足该压力条件,即该问题的解不唯一,因此三维超声速流线压力反问题是非适定的。对比验证表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,流场参数的最大误差为1%。因此,所提出的双特征线解法具有一定的可靠性,有望为三维超声速流道设计提供新思路。

论超声速流动中的有益干扰

本文利用三维超声速流动线化理论的积分特性,推出了点源分布和单元旋涡分布的积分关系公式,并利用它们分析了翼下有体,翼上有体和翼的上、下各有一个体等型式的干扰特点,指出了几种可能的有益干扰型式。

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。

双向飞翼超声速客机激波阻力和声爆研究

基于超声速双向飞翼构型,采用CFD方法进行阻力计算,采用F-BOOM程序进行声爆计算,研究翼型、平面形状和EFCE激波阻力优化算法对双向飞翼激波阻力和声爆的影响。计算结果表明,平底构型可以明显降低双向飞翼超声速客机的超声速巡航的声爆,却很大程度上增加了巡航阻力,而对称构型却恰好相反;细长的平面几何形状对降低双向飞翼激波阻力和声爆都有作用,尤其对降低对称构型的声爆效果明显;EFCE激波阻力优化算法对降低双向飞翼激波阻力有明显作用,但同时会带来声爆方面的不利影响。因此,超声速客机的减阻设计和低声爆设计需要进行权衡研究。

三维曲面激波反问题的参考平面解法

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,从降维的三维特征线方法出发,推导出适用于参考平面法的特征方程和相容方程,并提出曲面激波反问题的求解方法。该设计方法可以把三维流场切为多个横截平面。在参考平面内,通过局部迭代求解准二维的特征方程和相容方程;在垂直于参考平面方向,通过引入整体迭代法来确定解面上的交叉导数,使结果达到二阶精度。采用泰勒-麦科尔流动和斜激波关系式验证了该设计方法的精度,其中压力的相对误差分别为1.3×10^(-3),6.1×10^(-5)。为了进一步验证设计方法的可靠性,设计了在3°来流攻角情况下,产生圆锥激波的三维型面,并采用商用软件Fluent验证所设计的三维构型。对比结果表明:所设计的流场与CFD数值模拟结果符合得较好,且流场参数最大误差不超过2%。

基于特征线追踪的气动反设计

随着当今飞行器飞行速度的提高,三维超声速内流道的设计需求日益增加。提出一种基于特征线追踪的气动反设计方法,以解决三维超声速粘性流场设计问题。为了验证特征线追踪方法的设计能力,将其应用于二维超声速喷管和三维方转圆流道设计中。结果表明,设计所得流道内部不存在集中的膨胀波和压缩波,获得了流动均匀的菱形试验区,出口处马赫数误差低于0.5%。特征线追踪方法能够直接设计超声速粘性流场,避免了传统的边界层修正技术引入的设计误差,实现了既能满足预设流场参数分布,又能保证入口和出口形状的三维异形截面超声速流道设计。

超音速流在正规反射激波系后的参数优化特性

研究了超音速气流中正规反射激波加一正激波结构下的参数优化特性 ,给出了求解这种优化结构的方法。通过计算得到了优化条件存在的区域和优化解的特性。它可用于指导超音速飞行器的进气道及相关装置的设计。