基于CFD的飞行器高保真度气动外形优化设计方法

发布时间：2017-10-30 04:15

  本文关键词：基于CFD的飞行器高保真度气动外形优化设计方法

  更多相关文章： 高超声速飞行器 计算流体力学 边界层转捩 代理模型 优化算法 气动外形优化

【摘要】：随着计算机水平的发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)在飞行器设计中发挥着越来越重要的作用。与此同时,现代飞行器气动外形的精细化设计对气动特性预测精度和设计手段提出了更高的要求。结合高精度的CFD技术和高效的优化设计方法进行飞行器气动外形优化设计是提高飞行器空气动力学性能的有效手段。本文基于CFD方法,以超声速/高超声速流动为主,开展了流动数值模拟和气动外形优化设计方法研究。论文主要研究内容为：1.建立了并行化的CFD模拟方法和计算程序,并对复杂高速湍流和转捩流动进行了数值模拟。采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法分析了计算格式等因素对湍流计算收敛性的影响,并对两种κ-ω类湍流模型的高速流动预测性能进行了评估。基于γ-Reθt转捩模型,提出了简化的γ-SST转捩模型。新的转捩模型可以得到与γ-Reθt模型相差不大的计算结果,且其形式更为简洁,计算量更小。此外,对γ-Reθt模型进行了高速流动情况下的压缩性修正研究。2.发展了吴备单目标／多目标和局部／全局优化能力的飞行器高保真度气动外形优化方法和流程。发展了适用于飞行器外形优化的参数化建模与网格自动生成技术。研究并改进了粒子群和量子粒子群优化算法,提高了算法的收敛速度和全局寻优能力。改进了径向基函数代理模型,并发展了基于代理模型技术的全局优化流程,提高了基于CFD的高保真度优化效率。3.基于本文发展的优化方法开展了典型飞行器气动优化问题的应用研究。优化结果表明,局部优化方法具有优异的收敛性,可以快速得到设计空间内的局部最优值；基于代理模型的气动优化流程在提供高保真度气动特性获取手段的同时,可大幅降低计算耗时,从而提高优化效率。所研究的多个优化案例均取得了较好的效果,验证了优化方法的有效性和实用性。4.开展了飞行器气动特性不确定性和灵敏度分析研究,并初步进行了气动外形的稳健优化。采用多项式混沌展开法开展了气动特性的不确定性和全局灵敏度分析,量化了不确定性因素对气动特性波动的贡献程度。结合响应面代理模型和不确定性分析方法,发展了高效的气动外形稳健优化流程。针对超临界翼型的优化表明,相比于初始外形和确定性优化后的外形,稳健优化后的翼型阻力显著下降,且具有更优的阻力发散特性。
【关键词】：高超声速飞行器 计算流体力学 边界层转捩 代理模型 优化算法 气动外形优化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V221.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-20
• 第1章 绪论20-37
• 1.1 研究背景及意义20-22
• 1.2 气动优化关键技术研究进展22-33
• 1.2.1 参数化建模与网格生成技术22-24
• 1.2.2 CFD数值模拟方法24-31
• 1.2.3 优化算法与代理模型技术31-33
• 1.3 高保真度气动优化研究进展33-34
• 1.4 论文研究目的与章节安排34-37
• 第2章 复杂流动的CFD模拟方法37-93
• 2.1 量热完全气体流动控制方程37-39
• 2.2 湍流与转捩模型39-46
• 2.2.1 k-ω TNT模型40-41
• 2.2.2 k-ω SST模型41-42
• 2.2.3 γ-Reθt转捩模型42-45
• 2.2.4 简化的转捩模型45-46
• 2.3 高温热化学非平衡流动46-52
• 2.3.1 流动控制方程47-48
• 2.3.2 化学反应模型48-49
• 2.3.3 热力学关系式49-51
• 2.3.4 混合气体输运系数51-52
• 2.4 数值计算方法52-68
• 2.4.1 控制方程的离散52-53
• 2.4.2 通量计算方法53-55
• 2.4.3 MUSCL插值方法55-57
• 2.4.4 LU-SGS时间推进方法57-61
• 2.4.5 当地时间步长61-62
• 2.4.6 初始和边界条件62-64
• 2.4.7 并行计算64
• 2.4.8 算例验证64-68
• 2.5 高超声速湍流计算的收敛特性68-75
• 2.5.1 计算格式的影响69-70
• 2.5.2 限制器的影响70-71
• 2.5.3 湍流时间步长的影响71-72
• 2.5.4 湍流量限制的影响72-73
• 2.5.5 CFL数的影响73
• 2.5.6 LU-SGS内迭代次数的影响73-74
• 2.5.7 不同湍流模型的收敛性差异74-75
• 2.6 高速湍流流动数值模拟75-80
• 2.6.1 高超声速二维压缩拐角75-77
• 2.6.2 高超声速三维锥柱裙77
• 2.6.3 非对称激波/边界层干扰77-80
• 2.7 基于简化转捩模型的转捩流动数值模拟80-86
• 2.7.1 零压力梯度平板80
• 2.7.2 Aerospatial-A翼型80-82
• 2.7.3 S809翼型82-83
• 2.7.4 高超声速平板83-84
• 2.7.5 高超声速双楔84-86
• 2.8 高速流动下的转捩模型压缩性修正86-91
• 2.8.1 高超声速平板88-89
• 2.8.2 高超声速双楔89-90
• 2.8.3 高超声速圆锥90-91
• 2.9 本章小结91-93
• 第3章 高保真度气动外形优化设计方法93-124
• 3.1 参数化建模方法93-96
• 3.1.1 二次曲线法93-95
• 3.1.2 自由变形法95-96
• 3.2 结构网格生成方法96-98
• 3.2.1 基于偏微分方程方法的网格自动生成96-97
• 3.2.2 基于无限插值方法的动网格生成97-98
• 3.3 参数化建模与网格生成实例98-103
• 3.3.1 类HTV-2升力体98-102
• 3.3.2 RAE2822翼型102
• 3.3.3 NACA64A010机翼102-103
• 3.3.4 类X-33升力体103
• 3.4 局部优化算法103-105
• 3.5 全局优化算法105-116
• 3.5.1 遗传算法105-106
• 3.5.2 粒子群优化算法及其改进106-112
• 3.5.3 量子粒子群优化算法及其改进112-116
• 3.6 代理模型技术116-122
• 3.6.1 试验设计117
• 3.6.2 响应面代理模型117-118
• 3.6.3 径向基函数代理模型118-119
• 3.6.4 基于空间变化形状参数的径向基函数代理模型119
• 3.6.5 代理模型精度评估119-122
• 3.6.6 基于代理模型的气动优化流程122
• 3.7 本章小结122-124
• 第4章 典型飞行器外形的气动优化124-155
• 4.1 基于局部优化算法的气动外形优化124-132
• 4.1.1 自然层流翼型124-125
• 4.1.2 高速翼型125-127
• 4.1.3 钝锥外形127-129
• 4.1.4 后体/尾喷管129-132
• 4.2 基于全局优化算法的气动外形优化132-154
• 4.2.1 高超声速再入飞行器多目标优化132-137
• 4.2.2 基于IRBF代理模型的气动优化137-142
• 4.2.3 考虑高温气体效应的气动优化142-144
• 4.2.4 高超声速升力体气动力优化144-148
• 4.2.5 基于转捩模型的升力体气动热优化148-154
• 4.3 本章小结154-155
• 第5章 气动特性不确定性分析与稳健优化方法155-173
• 5.1 不确定性与灵敏度分析方法155-162
• 5.1.1 不确定性分析方法155-158
• 5.1.2 灵敏度分析方法158-159
• 5.1.3 函数测试159-162
• 5.2 典型外形的气动特性不确定性和灵敏度分析162-169
• 5.2.1 超临界翼型162-164
• 5.2.2 高速菱形翼型164-166
• 5.2.3 高超声速平板166-167
• 5.2.4 高超声速升力体167-169
• 5.3 超临界翼型稳健优化169-172
• 5.4 本章小结172-173
• 第6章 总结与展望173-177
• 6.1 论文主要结论与创新点173-175
• 6.2 后续工作展望175-177
• 参考文献177-190
• 攻读博士学位期间主要的研究成果190-192
• 附录：空气化学反应模型和组分常数表192-194

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孙金标，，刘千刚;飞机气动外形的优化设计[J];空气动力学学报;1995年01期

2 詹浩;许晓平;朱军;;气动外形多点优化设计研究[J];航空计算技术;2007年01期

3 王唯;陈志华;;基于参数样条的旋成体局部气动外形优化设计[J];弹箭与制导学报;2011年03期

4 胡圣远,苗瑞生,吴甲生;无控火箭弹气动外形优化设计[J];弹道学报;1992年04期

5 关键;田书玲;;基于FFD的气动外形参数化方法[J];江苏航空;2010年S2期

6 粟华;龚春林;谷良贤;;基于三维CST建模方法的两层气动外形优化策略[J];固体火箭技术;2014年01期

7 王向军;于雅楠;;基于频闪成像技术的MAV气动外形三维视觉测试(英文)[J];纳米技术与精密工程;2011年06期

8 吕胜涛;刘荣忠;郭锐;胡志鹏;;S-S双翼末敏弹气动外形优化设计[J];兵工学报;2013年09期

9 张宏;余雄庆;;高速航空拖靶的总体方案和气动外形优化[J];南京航空航天大学学报;2008年04期

10 刘传振;段焰辉;蔡晋生;;气动外形优化中的分块类别形状函数法研究[J];宇航学报;2014年02期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 高正红;;气动外形优化设计方法研究与存在问题[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年

2 苏伟;董超;陈刚;李晓轩;张立坤;;飞行器气动外形数值优化设计系统及应用[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

3 张青青;张卫民;;自由变形技术在气动外形参数化上的应用研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

4 郭辉;张锦南;李海涛;;60kW水流发电叶片研制[A];第十九届玻璃钢/复合材料学术交流会论文集[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王丹;飞行器气动外形优化设计方法研究与应用[D];西北工业大学;2015年

2 夏陈超;基于CFD的飞行器高保真度气动外形优化设计方法[D];浙江大学;2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 何烈堂;MAV气动外形形变性能研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年

2 丁伟;造型初期的汽车气动外形减阻优化设计[D];吉林大学;2015年

3 张宁宁;柔性气动外形飞行体气流扰动下的频闪可视化信息提取[D];天津大学;2012年

4 丛延;智能可变外形导弹的气动外形总体设计研究[D];西北工业大学;2007年

5 关键;基于伴随方程的二维翼型气动外形优化设计[D];南京航空航天大学;2011年

本文编号：1116057