超聲速翼型氣動優(yōu)化設(shè)計.pdf

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1、航空學報ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaDec252015Vol36No．123774．3784ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．crl超聲速翼型氣動優(yōu)化設(shè)計曹長強1，蔡晉生1’*，段焰輝21．西北工業(yè)大學航空學院，西安7100722．中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力學研究所，綿陽621000摘要：首先分析了幾何外形和相對厚度對超聲速翼型氣動特性的影響?；谶z傳算法(GA)和氣動力快速工程算法，對于相對厚度為3．5％的多邊形翼型

2、進行優(yōu)化設(shè)計，多邊形翼型的優(yōu)化外形趨于四邊形，最大厚度點后移到翼型弦線的60％左右，隨著迎角或者馬赫數(shù)增大下翼面會變薄，上翼面變厚，最大厚度點相應稍有后移。對于相對厚度為4％的雙圓弧翼型，采用兩步優(yōu)化設(shè)計方法，第1步優(yōu)化結(jié)合基于B樣條的類別形狀函數(shù)變換(CST)參數(shù)化方法與小波分解方法，實現(xiàn)幾何外形的局部控制與光順處理，并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低優(yōu)化過程中流場計算的工作量；第2步優(yōu)化采用基于Navier—Stokes方程的最速下降法(SDA)，修正第1步優(yōu)化中代理模型和小波光順引入的誤差；優(yōu)化設(shè)計得到的翼型近似為四邊形，其相對厚度最大點后

3、移到翼型弦線的60％～65％處，升阻比可以提高7％。關(guān)鍵詞：超聲速翼型；優(yōu)化設(shè)計；代理模型；參數(shù)化；小波分解中圖分類號：V211．4i+2文獻標識碼：A文章編號：1000—6893(2015)12—3774—11當前，面對商業(yè)與軍事方面廣闊的應用前景，各種超聲速和高超聲速飛行器得到了廣泛、細致的研究E1

4、。亞聲速運輸機升阻比可以達到15以上，而對于超聲速飛行器，由于激波的形成導致阻力大大增加[2]，飛行器的升阻比會大幅度地降低。高升阻比也是超聲速／高超聲速飛行器設(shè)計追求的一個重要指標[3]，對于采用翼身融合布局的超聲速／高超聲速飛行器，選取合理的翼剖面形

5、狀成為提高超聲速／高超聲速飛行器氣動特性的一個重要方面。然而，研究超聲速／高超聲速翼型的氣動特性及其優(yōu)化設(shè)計方面的文獻比較少，通常采用的超聲速／高超聲速翼型是簡單的平板、菱形或雙弧形¨j。傳統(tǒng)氣動設(shè)計將CFD數(shù)值模擬與優(yōu)化方法相結(jié)合，需要進行大量的數(shù)值計算，且只停留在無黏流場計算上，文獻[5—6]即為求解Euler方程進行氣動設(shè)計。為了加入黏性影響并提高計算的效率，一種思路是通過快速工程方法計算流場，文獻[7—8]發(fā)展了一套完整的高超聲速氣動力快速計算方法，并與數(shù)值模擬結(jié)果或?qū)嶒炦M行了驗證。高清等驗證了此方法在超聲速／高超聲速帶進氣道飛行器氣動力快速計算

6、中具有較高的精度[9]，劉傳振等運用此方法實現(xiàn)了高超聲速飛行器的氣動優(yōu)化設(shè)計，達到了較好的效果[10I。另一種思路是通過代理模型的方法，基于本征正交分解(ProperOrthogonalDecomposition，POD)[11-12]的流場計算代理模型將得到的采樣解流場分解成一組正交基，這些基包含了設(shè)計空間內(nèi)流場的絕大部分信息，通過Everson和Sirovich[”3提出的GappyPOD方法重構(gòu)流場。這種方法在亞聲速收稿日期：2015—02．06；退修日期：2015—03-09；錄用日期：2015—05—04；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015—05·0610

7、：02網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V20150506．1002．001html*通訊作者Tel．：029—88495381E-mail：caijsh@nwpueducn戳壤格式；CaoCQ，CaiJS，DuanYH．AerodynamicdesignoptimizationofsupersonicairfoI

8、s￡Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSini．ca，2015，36(12)：3774—3784營長強，蔡晉生，段焰輝超聲速翼型氣動優(yōu)化設(shè)計i正航空學扳。2015．36(12

9、)：3774．3784曹長強等：超聲速翼型氣動優(yōu)化設(shè)計和跨聲速翼型優(yōu)化設(shè)計和反設(shè)計中得到了廣泛的應用[1}17]，極大地縮短了計算周期。對于復雜的翼型外形，還要選擇合理的參數(shù)化方法[18

10、，Kulfan等提出的類別形狀函數(shù)變換(ClassandShapeTransformation，CST)方法，以其良好的可控性和表達精度等優(yōu)點，得到了廣泛的應用，文獻[19—22]詳細介紹了CST方法并給出了表示形狀函數(shù)的Bernstein多項式階數(shù)的經(jīng)驗取值范圍。針對原始CST方法局部控制能力弱、高階出現(xiàn)病態(tài)的弊端，可以使用B—spline的形狀函數(shù)進行改進口3I，但

11、同時帶來了翼型光順性的問題。為此，本文將多分辨率小波分解思想口41引入?yún)?shù)化方法