基于CFD的复杂气动优化与稳健设计方法研究

发布时间：2017-09-19 13:01

  本文关键词：基于CFD的复杂气动优化与稳健设计方法研究

  更多相关文章： 气动优化设计 计算流体力学 代理模型 自由变形技术 稳健设计 高维多目标优化 分层优化 混沌多项式 目标降维 旋翼翼型 BWB

【摘要】：飞行器气动优化设计是现代CFD(Computational Fluid Dynamics)技术与优化搜索方法相结合而形成的一个新的研究方向，是飞行器设计学科的重要组成部分。随着航空科技的发展，对各类飞行器提出的各类性能需求不断增加，同时要求也不断提高，给飞行器气动特性设计提出了更多更复杂的设计要求，引发了高维多目标设计问题；同时气动外形也更加复杂，需要对外形进行精细设计，这使得设计变量数目不断增加，造成了多设计变量问题；对于工程设计，要求飞行器性能更加稳健可靠，需要通过设计来减小不确定性因素对飞行器性能的影响，对于气动设计需要开展稳健设计问题研究。围绕飞行器复杂优化问题和稳健性设计问题，本文首先开展了气动数值模拟方法的研究，开发了一套高效可靠的CFD计算程序，为气动优化奠定了基础。进一步研究了气动外形参数化方法，优化算法以及代理模型方法，以松散式代理模型管理框架耦合以上要素建立了气动优化平台。在本文优化设计平台的基础上开展了复杂气动优化问题研究和基于不确定分析的气动稳健性设计研究工作。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1.针对飞行器气动外形设计，开发了一套数值求解RANS(Reynolds Averaged Na-vier-Stokes)方程的高效气动分析程序，通过典型的航空气动算例验证了该程序的气动分析精度。研究了分区拼接网格的划分与边界插值策略，保证复杂流场计算精度要求的前提下，降低计算难度，提高计算效率；第二，针对边界层转捩对气动外形优化设计的影响，开展了当地变量转捩模式研究，并将其引入CFD数值计算系统，进行了典型的边界层转捩数值模拟，为层流技术研究应用奠定了基础。 2.为了解决复杂气动外形高效优化设计技术问题，针对构成气动外形优化设计方法中的参数化方法、代理模型技术、优化搜索算法三要素开展研究。首先，研究了多种翼型机翼参数化方法，包括CST参数化方法，FFD参数化方法，实现了从翼型到机翼以及到全机气动外形的参数化建模。针对三维复杂外形精细化设计，开发了基于NURBS基函数的FFD方法，有效解决了以Bezier基函数为基础的FFD参数化方法设计空间不足，设计变量相关性强的问题；第二，开展了代理模型技术研究，重点以Kriging代理模型为例，，研究了设计变量维数对代理模型精度的影响，结果表明随着设计变量数目的增加，代理模型精度急剧下降，构造代理模型所需样本数目迅速增加，出现了代理模型“维度灾难”问题。结合传统的基于松散式代理模型管理框架的气动外形优化设计方法，发现了由于受多设计变量对代理模型精度影响，导致了优化搜索过程中基于代理模型优化结果的“精度冻结”问题。针对多设计变量下的代理模型问题，建立了基于空间分区的代理模型构造方法，提高了代理模型精度和构造效率，并以此为基础提出了基于分区代理模型的协同优化管理框架，以典型的BWB(Blended-Wing-Body)布局运输机气动外形精细化设计为例，完成了BWB气动外形精细化优化设计，验证了优化设计方法。 3.开展了高维多目标优化研究，针对传统多目标优化算法收敛困难及优化结果难以进一步决策等问题，采用PCA(Principal Component Analysis)分析方法进行高维多目标问题的主要目标提取，针对该方法存在的问题，结合改进ε-constraint优化方法和工程分析，建立了分层多级约束优化设计方法，采用该方法系统地进行了旋翼翼型气动优化设计研究，优化结果表明分层多级约束方法很好地解决了旋翼翼型高维多目标设计难题，最终得到了一套先进的旋翼翼型族。 4.开展了气动稳健设计研究，针对传统的不确定性分析方法(蒙特卡洛取样方法)计算耗时，效率低下等问题，引入PCE(Polynomial Chaos Expansion)混沌多项方法，以少数求积节点来构造不确定性响应模型，提高了分析计算效率；耦合PCE不确定分析方法和优化设计系统建立了考虑飞行状态不确定性的气动稳健设计模型，通过超临界翼型稳健设计对文中方法进行了验证，并与传统的基于MCS(Monte Carlo Simulation)模拟的稳健设计方法进行了对比，结果表明本文方法是高效可靠的，在此基础上开展了层流超临界翼型稳健优化设计工作。
【关键词】：气动优化设计 计算流体力学 代理模型 自由变形技术 稳健设计 高维多目标优化 分层优化 混沌多项式 目标降维 旋翼翼型 BWB
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V221.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 论文研究背景12-15
• 1.2 复杂气动优化设计研究15-17
• 1.2.1 多变量优化设计15-16
• 1.2.2 高维多目标优化16-17
• 1.3 稳健优化设计17-18
• 1.4 气动外形优化设计面临的主要问题18-20
• 1.4.1 气动特性分析方法的困境19
• 1.4.2 大规模优化设计问题19
• 1.4.3 高维多目标设计难题19
• 1.4.4 气动稳健设计对气动设计带来的挑战19-20
• 1.5 论文主要工作20-22
• 第二章 气动特性评估及数值模拟22-52
• 2.1 控制方程及其离散求解22-28
• 2.1.1 控制方程22-24
• 2.1.2 有限体积方法24-25
• 2.1.3 空间离散25-26
• 2.1.4 时间推进26-28
• 2.2 湍流模型28-31
• 2.2.1 雷诺平均方程28-29
• 2.2.2 Spalart-Allmaras 湍流模型29-30
• 2.2.3 Menter s k- SST 湍流模型30-31
• 2.3 CFD 方法数值验证31-38
• 2.3.1 RAE-2822 翼型31-32
• 2.3.2 SC1095 旋翼翼型32-35
• 2.3.3 DLR-F6 翼身组合体算例35-38
• 2.4 分区拼接网格技术38-45
• 2.4.1 拼接网格原理38-39
• 2.4.2 拼接区域对计算结果的影响39-41
• 2.4.3 拼接面网格比例与插值精度41-43
• 2.4.4 NASA 高升力构型拼接网格数值模拟43-45
• 2.5 边界层转捩数值模拟45-51
• 2.5.1 基于当地变量的转捩模式45-48
• 2.5.2 NLR-7301 超临界翼型48-49
• 2.5.3 MD30P/30N 多段翼型49-51
• 2.6 小结51-52
• 第三章 基于代理模型的复杂气动优化设计52-93
• 3.1 气动外形参数化方法52-58
• 3.1.1 基于 CST 方法的翼型参数化52-54
• 3.1.2 三维复杂外形参数化方法54-58
• 3.2 单目标优化搜索算法58-65
• 3.2.1 MADS 算法59-60
• 3.2.2 遗传算法60-62
• 3.2.3 粒子群算法62-63
• 3.2.4 优化算法性能测试63-65
• 3.3 代理模型技术65-75
• 3.3.1 试验设计65-66
• 3.3.2 Kriging 代理模型66-69
• 3.3.3 代理模型精度校验69-72
• 3.3.4 设计变量维数对代理模型的影响72-75
• 3.4 松散式代理模型管理框架75-84
• 3.4.1 松散式代理模型管理框架76
• 3.4.2 超临界翼型优化设计76-79
• 3.4.3 BWB(翼身融合)气动优化设计79-84
• 3.5 基于分区代理模型的协同优化管理框架84-88
• 3.5.1 基于空间分区的代理模型构建84-86
• 3.5.2 基于分区代理模型的协同优化管理框架86-88
• 3.6 BWB(翼身融合)气动分区协同优化设计88-92
• 3.7 小结92-93
• 第四章 高维多目标优化设计93-119
• 4.1 高维多目标优化93-101
• 4.1.1 标量化方法94-95
• 4.1.2 带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-II）95-98
• 4.1.3 目标维度灾难98-101
• 4.2 目标降维101-104
• 4.2.1 目标关系101
• 4.2.2 基于 PCA 方法的目标降维101-104
• 4.3 分层约束优化方法104-108
• 4.3.1 变约束双目标优化104-106
• 4.3.2 分层多级约束方法106-108
• 4.4 旋翼翼型高维多目标设计108-118
• 4.4.1 旋翼翼型设计要求110-111
• 4.4.2 基于多目标进化算法的旋翼翼型设计111-116
• 4.4.3 优化设计结果116-118
• 4.5 小结118-119
• 第五章 不确定性分析及稳健设计119-140
• 5.1 稳健设计基本概念119-121
• 5.2 不确定性分类与分析121-123
• 5.3 混沌多项式方法123-130
• 5.3.1 混沌多项式展开法123-125
• 5.3.2 均值与方差计算125-126
• 5.3.3 函数测试126-128
• 5.3.4 不确定性分析气动测试128-130
• 5.4 气动稳健设计框架及其验证130-135
• 5.4.1 气动稳健设计框架130-132
• 5.4.2 超临界翼型稳健设计132-135
• 5.5 层流超临界翼型稳健设计135-139
• 5.5.1 设计模型135-136
• 5.5.2 气动特性分析136-137
• 5.5.3 压力分布及摩阻分布对比137-138
• 5.5.4 压力梯度与转捩位置138-139
• 5.6 小结139-140
• 第六章 总结与展望140-143
• 6.1 研究结论及论文创新点140-142
• 6.2 展望142-143
• 参考文献143-157
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况157-158
• 致谢158-159

【参考文献】

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本文编号：881774