基于气动外形优化和主动流动控制的减阻技术
发布时间：2021-08-26 08:57
增升和减阻是民用飞机设计的永恒目标。本文对民用飞机减阻技术最新进展及未来发展进行综述,在此基础上,报道了计算所团队通过数值优化设计及主动流动控制实现减阻的研究进展。为此,发展了基于壁面模化大涡模拟（WMLES）准确模拟湍流边界层的先进数值方法,以及利用伴随方程方法实现气动外形快速数值优化的技术。在具体实践中,通过组合基于自由变形（FFD）的几何参数化模块、基于线弹性体法的网格变形模块,以及基于伴随方程方法和序列二次规划（SQP）的优化算法模块,搭建了面向工程、适于超大规模变量优化设计的整机气动优化设计平台,在NASACRM模型上实现了设计变量超过600的大变量、跨声速气动数值优化设计,在合理的工程约束条件下,有效削弱了机翼表面激波,总体减阻率达到2%以上;通过对湍流平板边界层外层结构进行射流非定常控制,在中等雷诺数Reτ=4700条件下,实现了5%～6%的当地减阻率。研究证实,数值优化设计和基于外层射流控制的主动流动控制技术将是大型民用飞机减阻中非常有前景和值得重视的两种方法。
【文章来源】：航空科学技术. 2019,30(09)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
大型飞机阻力构成及减阻预期收益Fig.1Conceptoflargeaircraftdragforcesanddragreductionpotentialanalysis
[7]所指出的，针对大型民用飞机，要建立工程可实用的黏性阻力减阻技术，存在诸多挑战。主要原因是，大型飞机所涉及的流动大部分都是高雷诺数流动，因而普遍表现出复杂的湍流流动特性。特别是，许多在低雷诺数条件下能够保持的流动特征，在高雷诺数条件下很难持久保持（如层流）。这也导致很多在实验室条件下，基于低雷诺数发展的减阻技术，很难直接推广应用到高雷诺数条件下。这也正是基于湍流边界层控制（TurbulenceBoundaryLayerControl,TBLC）的减阻技术尽管已开展了多年研究，但迄今仍然活跃的重要原因。实际上，由图2可以看出，湍流减阻与层流减阻相比具有额外技术优势[10]。层流减阻主要针对机翼、短舱，其在当前大型民机普遍采用高速后掠翼外形的情况下，要长时间保持理想的大面积层流非常困难；而湍流减阻可针对几乎所有表面，并且，由于湍流边界层几乎覆盖机身全部表面，这部分阻力占比对整机贡献非常大。因此，可以预见，瞄准发展实用的湍流边界层控制及减阻技术将是未来相当长时间民用飞机减阻技术研究的重要方面。2基于数值优化的减阻技术研究2.1数值优化设计基本框架数值优化设计是一种综合性应用技术。按照一般性的方法框架，它综合应用了几何参数化、网格变形、流场求解（CFD）、优化算法、设计目标和约束自动处理等多种复杂技术，具有自动化程度高、多目标寻优能力强等先天技术优势，能在很大程度弥补传统“试—凑”方法的不足[11]。根据所采用的优化算法的不同，主要的数值优化设计方法大致可分为两类：一类是以遗传算法为代表的非梯度类优化设计方法。主要优势是算法流程简单，易用性好，适用于全局寻优，但存在效率不高、迭代次数多的缺点，尤其计算量随设计变量个数成几何级数增长，很难应用到大
ameson教授团队，以及欧洲的德国宇航院、法宇航等相关团队）都建立了相当先进的气动外形优化设计体系[11,12]，并逐步推广到复杂工程应用领域。国内近年来也开展了卓有成效的工作，在大型客机设计中发挥了积极的作用[1]。在某国家级项目支持下，作者所在团队通过组合基于自由变形(FreeFormDeformation，FFD)的几何参数化模块、基于线弹性体法的网格变形模块，以及基于伴随方程方法和SQP的优化算法模块，在自主可控CFD软件基础上，搭建了面向工程、适于超大规模变量优化设计的整机气动优化设计平台，其基础框架如图3所示。主要包括以下模块：（1）几何参数化模块。几何参数化是整个优化设计的基础，其目标是将优化几何通过一定的函数关系映射为一组尽可能描述其全貌的设计变量。本文优化设计框架下，采用基于FFD的参数化方法。FFD参数化方法以伯恩斯坦多项式或B样条作为基函数，可以保证复原的外形满足连续性、光滑性、保凸性等几何要求，已日益成为当前气动外形优化设计中普遍采用的一种标准几何参数化方法。（2）网格变形模块。网格变形是优化设计过程的重要支撑，其目标是基于优化后的变形几何自动产生CFD计算所需的计算网格。本文网格变形采用一种改进的线性弹性体法[12]，具有善于处理几何大变形，且变形后网格品质高、鲁棒性强的特点。（3）CFD（流场）求解器模块。流场求解是优化设计必不可少的重要环节，其目标是基于变形后的体网格，重新计算得到新构型的气动特性，为进一步的几何构型选优奠定基矗本文CFD求解器采用内部的自研混合网格并行计算软件WiseCFD-UG。该软件是基于格点格式有限体积法和隐式时间推进的通用软件，具有二阶（时间、空间）精度，可处理包括四面体、六面体、棱柱、金字塔等单元类型在内的
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型客机气动设计综述[J]. 陈迎春,张美红,张淼,毛俊,毛昆,王祁旻. 航空学报. 2019(01)
[2]基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展[J]. 白俊强,雷锐午,杨体浩,汪辉,何小龙,邱亚松. 航空学报. 2019(01)
[3]面向阻力发散的CRM机翼气动优化设计[J]. 蒋城,刘峰博,李典,梁益华. 航空计算技术. 2018(05)
[4]民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望[J]. 周铸,黄江涛,高正红,黄勇,陈作斌,余婧. 航空学报. 2019(01)
[5]大型运输机的减阻技术[J]. 刘沛清,张雯,郭昊. 力学与实践. 2018(02)
[6]Drag reduction via turbulent boundary layer flow control[J]. ABBAS Adel,BUGEDA Gabriel,FERRER Esteban,FU Song,PERIAUX Jacques,PONS-PRATS Jordi,VALERO Eusebio,ZHENG Yao. Science China（Technological Sciences）. 2017(09)
[7]基于线性弹性体的网格变形方法研究[J]. 谭伟伟,刘峰博,张一帆. 航空计算技术. 2017(02)
[8]离散伴随方法在气动优化设计中的应用[J]. 刘峰博,郝海兵,李典,梁益华. 航空计算技术. 2017(02)
[9]大型飞机阻力预示与减阻研究[J]. 马汉东,崔尔杰. 力学与实践. 2007(02)
本文编号：3363945
【文章来源】：航空科学技术. 2019,30(09)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
大型飞机阻力构成及减阻预期收益Fig.1Conceptoflargeaircraftdragforcesanddragreductionpotentialanalysis
[7]所指出的，针对大型民用飞机，要建立工程可实用的黏性阻力减阻技术，存在诸多挑战。主要原因是，大型飞机所涉及的流动大部分都是高雷诺数流动，因而普遍表现出复杂的湍流流动特性。特别是，许多在低雷诺数条件下能够保持的流动特征，在高雷诺数条件下很难持久保持（如层流）。这也导致很多在实验室条件下，基于低雷诺数发展的减阻技术，很难直接推广应用到高雷诺数条件下。这也正是基于湍流边界层控制（TurbulenceBoundaryLayerControl,TBLC）的减阻技术尽管已开展了多年研究，但迄今仍然活跃的重要原因。实际上，由图2可以看出，湍流减阻与层流减阻相比具有额外技术优势[10]。层流减阻主要针对机翼、短舱，其在当前大型民机普遍采用高速后掠翼外形的情况下，要长时间保持理想的大面积层流非常困难；而湍流减阻可针对几乎所有表面，并且，由于湍流边界层几乎覆盖机身全部表面，这部分阻力占比对整机贡献非常大。因此，可以预见，瞄准发展实用的湍流边界层控制及减阻技术将是未来相当长时间民用飞机减阻技术研究的重要方面。2基于数值优化的减阻技术研究2.1数值优化设计基本框架数值优化设计是一种综合性应用技术。按照一般性的方法框架，它综合应用了几何参数化、网格变形、流场求解（CFD）、优化算法、设计目标和约束自动处理等多种复杂技术，具有自动化程度高、多目标寻优能力强等先天技术优势，能在很大程度弥补传统“试—凑”方法的不足[11]。根据所采用的优化算法的不同，主要的数值优化设计方法大致可分为两类：一类是以遗传算法为代表的非梯度类优化设计方法。主要优势是算法流程简单，易用性好，适用于全局寻优，但存在效率不高、迭代次数多的缺点，尤其计算量随设计变量个数成几何级数增长，很难应用到大
ameson教授团队，以及欧洲的德国宇航院、法宇航等相关团队）都建立了相当先进的气动外形优化设计体系[11,12]，并逐步推广到复杂工程应用领域。国内近年来也开展了卓有成效的工作，在大型客机设计中发挥了积极的作用[1]。在某国家级项目支持下，作者所在团队通过组合基于自由变形(FreeFormDeformation，FFD)的几何参数化模块、基于线弹性体法的网格变形模块，以及基于伴随方程方法和SQP的优化算法模块，在自主可控CFD软件基础上，搭建了面向工程、适于超大规模变量优化设计的整机气动优化设计平台，其基础框架如图3所示。主要包括以下模块：（1）几何参数化模块。几何参数化是整个优化设计的基础，其目标是将优化几何通过一定的函数关系映射为一组尽可能描述其全貌的设计变量。本文优化设计框架下，采用基于FFD的参数化方法。FFD参数化方法以伯恩斯坦多项式或B样条作为基函数，可以保证复原的外形满足连续性、光滑性、保凸性等几何要求，已日益成为当前气动外形优化设计中普遍采用的一种标准几何参数化方法。（2）网格变形模块。网格变形是优化设计过程的重要支撑，其目标是基于优化后的变形几何自动产生CFD计算所需的计算网格。本文网格变形采用一种改进的线性弹性体法[12]，具有善于处理几何大变形，且变形后网格品质高、鲁棒性强的特点。（3）CFD（流场）求解器模块。流场求解是优化设计必不可少的重要环节，其目标是基于变形后的体网格，重新计算得到新构型的气动特性，为进一步的几何构型选优奠定基矗本文CFD求解器采用内部的自研混合网格并行计算软件WiseCFD-UG。该软件是基于格点格式有限体积法和隐式时间推进的通用软件，具有二阶（时间、空间）精度，可处理包括四面体、六面体、棱柱、金字塔等单元类型在内的
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型客机气动设计综述[J]. 陈迎春,张美红,张淼,毛俊,毛昆,王祁旻. 航空学报. 2019(01)
[2]基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展[J]. 白俊强,雷锐午,杨体浩,汪辉,何小龙,邱亚松. 航空学报. 2019(01)
[3]面向阻力发散的CRM机翼气动优化设计[J]. 蒋城,刘峰博,李典,梁益华. 航空计算技术. 2018(05)
[4]民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望[J]. 周铸,黄江涛,高正红,黄勇,陈作斌,余婧. 航空学报. 2019(01)
[5]大型运输机的减阻技术[J]. 刘沛清,张雯,郭昊. 力学与实践. 2018(02)
[6]Drag reduction via turbulent boundary layer flow control[J]. ABBAS Adel,BUGEDA Gabriel,FERRER Esteban,FU Song,PERIAUX Jacques,PONS-PRATS Jordi,VALERO Eusebio,ZHENG Yao. Science China（Technological Sciences）. 2017(09)
[7]基于线性弹性体的网格变形方法研究[J]. 谭伟伟,刘峰博,张一帆. 航空计算技术. 2017(02)
[8]离散伴随方法在气动优化设计中的应用[J]. 刘峰博,郝海兵,李典,梁益华. 航空计算技术. 2017(02)
[9]大型飞机阻力预示与减阻研究[J]. 马汉东,崔尔杰. 力学与实践. 2007(02)
本文编号：3363945
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