亚、跨音速三维机翼气动外形反设计的控制理论方法

本文进行了基于控制论的气动外形反设计方法研究,根据给定的目标函数推导了在物理空间上描述的共轭方程及相应的边界条件,通过构造共轭方程耗散通量项,以及使用特征线理论处理远场边界等措施,研究了共轭方程的数值求解方法,使用Hicks Henne函数来描述设计变量扰动对机翼表面外形的影响,通过网格扰动获得度量矩阵变分来获得目标函数对设计变量的敏感性导数,优化过程使用拟牛顿优化算法,通过对流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和优化算法这四个方面的有效结合,成功地发展出了一种机翼气动外形反设计方法,进行了机翼气动外形反设计研究,结果表明该设计方法在设计理论及可实现性方面,特别在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性,且设计结果较为可靠,在现有计算条件下是一个好的设计方法,时间花费也较少。

基于梯度增强型Kriging模型的气动反设计方法

基于Kriging模型的代理优化算法目前在气动优化设计中得到了广泛应用。但在高维(设计变量大于30个)气动优化中,计算量过大的问题对其进一步发展产生了严重制约。将翼型和机翼气动反设计问题转化为优化问题,采用Adjoint方法进行快速梯度求解,利用基于梯度增强型Kriging(GEK)模型的代理优化算法分别开展了18、36和108个设计变量的气动反设计。首先,通过采用在设计空间局部建立GEK模型的方法成功地将基于代理优化算法的气动反设计问题的维度拓展到了100维以上。其次,研究了梯度计算精度对基于GEK模型的反设计的影响,发现梯度精度越高,反设计的最终效果越好,同时效率相当。最后,通过不同维度的气动反设计算例,比较了改进拟牛顿法(BFGS)、基于GEK模型和Kriging模型的代理气动反设计方法,结果表明基于GEK模型的代理优化算法的效率大幅度高于基于Kriging模型的代理优化算法,并且维度越高,效率优势越明显;同时,基于GEK模型的代理优化算法在优化效果及分析程序调用次数上相比于BFGS方法也略有优势。