基于非结构混合网格的离散伴随优化方法研究

发布时间：2017-12-19 07:11

  本文关键词：基于非结构混合网格的离散伴随优化方法研究

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【摘要】：飞行器外形对于飞行器至关重要,外形决定了它的气动特性,而气动特性又决定了飞行器的性能。随着计算机计算能力和CFD技术的发展,结合CFD技术和优化方法,对飞行器气动外形进行优化设计越来越受到重视。采用遗传算法、模拟退火法等不依赖于目标梯度的方法,在设计变量较多时会产生巨量的计算量,导致优化方法在复杂飞行器气动外形设计中难以广泛应用。在引入代理模型后,计算量有所减少,但是,在精细的气动优化中,代理模型仍旧存在一定的近似性。伴随优化方法通过求解流场控制方程的伴随方程来间接获取目标函数敏感导数,结合优化计算方法,完成飞行器气动外形优化。由于伴随方程的求解不依赖于设计变量的个数,因此,优化迭代计算量与设计参数的数目没有直接关系,这是伴随优化最显著的优点,避免了计算量巨大的问题,为采用大规模设计变量解决复杂工程优化问题提供了一种可能。非结构混合网格具有较好的灵活性,没有结构网格节点之间的对应限制,可以更好的在流场关键区域灵活加密,在网格自适应方面有很好的前景,采用具有层结构的三棱柱单元分布在物面附近以模拟附面层的流动,空间网格可以灵活的采用四面体单元充填。本文基于非结构混合网格,基于成熟的MFlow流场求解器,分别研究了Euler方程、基于SA湍流模型的RANS方程、基于SST湍流模型的RANS的伴随方程的构建方式,采用一维搜索方法及自由形面变形技术,发展了三维飞行器的气动外形优化设计方法,在内容安排上,分为如下八个章节：第一章为引言,简要介绍了优化算法相关发展,特别是基于非结构混合网格的离散伴随优化方法的发展,给出了本文的主要研究内容。第二章为气动力数值模拟方法。本文的气动力模拟,使用成熟的MFlow流场求解器,由于伴随方程和流场方程紧密耦合,’本章主要介绍了使用到的流场求解方法。第三章为伴随方程的构建和求解研究。开展伴随方程的构建研究,包括无粘通量、粘性通量、目标函数等对应的雅克比矩阵推导求解,研究无粘通量雅克比矩阵在一阶和二阶不同精度条件下的差别,研究边界单元雅克比矩阵存在的差别,并针对限制器、湍流粘性系数等参数进行了简化策略的分析对比,提出合适的可行的简化措施,最终给出残差对于流场变量的雅克比矩阵和以减阻/提高升阻比为目标函数的雅克比矩阵;开展LU-SGS方法在伴随方程迭代求解中的应用研究,基于有限体积法,研究了LU-SGS方法针对伴随方程的前扫描和后扫描具体形式。同时,将多重网格和并行技术应用于伴随方程的求解,以提高伴随方程的求解效率,研究多重网格在伴随方程中的延拓和限制算子,针对伴随方程对计算数据的需求,提出合适的并行数据结构和传值方式,研究百核量级的伴随方程的并行效率和加速比。第四章为网格变形和优化方法,简要介绍了本文中使用的自由形面变形技术,并描述了本文中采用的设计变量的选取方式,给出变形实例；简要的介绍一维搜索方法,给出常用的搜索判断准则和搜索方向计算方法。第五章为伴随优化方法的验证和分析,采用M6机翼,完成了伴随优化限制器简化策略和湍流粘性系数简化策略的验证计算,分别完成了Euler方程、基于SA湍流模型的RANS方程、基于SST湍流模型的RANS方程条件下的减阻优化,比较了有无几何约束优化结果的差异,给出了优化前后机翼剖面形状和对应压力分布的差别对比,并对比了不同搜索准则和搜索方向计算方法对优化结果的影响。第六章为混合伴随方法,提出了混合伴随求解方法,研究不同阶数混合伴随优化计算、不同格式混合伴随优化计算,并以M6机翼为计算实例,对优化结果进行了对比分析。第七章为优化实例,采用建立的优化系统,实现了飞翼翼型EH1590的反设计,实现了DLR F6翼身组合体在不同湍流模型条件下的减阻优化,以及飞翼外形飞行器升阻比优化,并在飞翼外形的优化过程中比较了不同阶数的伴随方程形式对优化结果的影响,优化计算状态为各自的巡航状态,通过设计变量的控制,改变了机翼的形状,实现目标函数的自动寻优。最后,在结束语中,对已有的工作做了回顾,指出存在的不足和今后的研究方向。
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V221

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本文编号：1307322