摘要：代理优化方法可以大幅提升高精度数值优化的效率,而加点方法对于优化结果和效率非常重要。并行加点方法一次可以添加多个训练样本,从而可以充分发挥计算资源的利用率,并且提高效率。在包含子优化的紧密式代理优化框架上将预测值、预测方差和期望改善(EI)函数值两两结合作为子优化目标,构建3种多目标并行加点方法,提出基于非支配排序的并行加点样本的策略。以SC(six-hump camel back)函数和2维GN(Griewank)函数、5维Rosenbrock函数及10维HD1(high-dimension 1)函数作为无约束优化算例,以7维G9函数作为约束优化算例,将构建的3种多目标并行加点方法与混合并行加点方法进行对比分析,结果表明:多目标并行加点方法效果较好。采用多目标并行加点方法、混合并行加点方法及基于计算流体力学(CFD)的遗传算法开展了二维多段翼型起飞状态的升阻比优化。优化结果表明:在升力系数不减小的约束下,多目标并行加点方法经过少量CFD评估,得到的优化结果使升阻比提升了14%,证明多目标并行加点方法在工程问题中的适用性。

摘要：为了提高基本Gappy本征正交分解(POD)翼型反设计方法的精度,在原始方法快照采样过程中,调整参数化方法,并用已产生翼型中压力分布最接近目标压力分布的翼型替换基础扰动翼型,形成最优快照替换采样法。在迭代求解阶段,根据迭代产生的压力分布与迭代产生的翼型实际压力分布之间的误差,引入校正快照,并据此调整目标压力分布,形成校正迭代法。实际算例表明,最优快照替换采样法所采集快照张成的空间较原始采样法更接近设计目标。而校正迭代法较原始迭代法能明显提高反设计精度。但最佳模态数量的选择对于Gappy POD翼型反设计方法仍然是一个难点。

摘要：在飞行器设计过程中为了提高优化设计的寻优精度,设计变量不断增加,从而使整个过程更加复杂且大幅延长设计周期。针对这一问题,基于本征正交分解降阶方法开展气动外形设计空间重构方面的研究。工作针对二维翼型开展,主要目标分为2个方面:1减少优化过程中的气动外形设计参数;2提高设计空间中满足设计约束的样本比例。在Hicks-Henne参数化和POD重构得到设计空间内随机选择20 000个样本发现,Hicks-Henne参数化空间中满足设计约束的样本比例不足25%,而重构之后的空间则超过70%。因此,采用POD方法对设计空间进行重构大大提高了样本质量,同时减少了优化设计参数。以RAE2822进行厚度约束下的单目标升阻比增大优化设计为例分别研究传统的约束处理方法和设计空间重构对优化结果的影响。传统约束处理方法中包括罚函数法和拒绝策略,优化结果表明拒绝策略略优于罚函数法,且无须设置惩罚权重,使用方便。对比重构前后设计空间的优化结果可见,2种传统约束处理方法在32个Hicks-Henne参数化空间中最优设计结果升阻比增加分别为27.61%和28.20%,采用POD方法重构后的设计空间得到的升阻比提升分别为28.20%和30.63%。因此,设计空间重构前后的优化精度基本类似,而且设计空间重构之后优化设计参数大大减少,设计效率得到明显提升。

摘要：涵道螺旋桨被认为具有推进效率高、结构紧凑、安全性高及噪声水平低等优势,在多种飞行器上具有较高的应用潜力。为了探究几个重要设计变量对涵道螺旋桨气动特性的影响和流动机理,以推进式涵道螺旋桨为研究对象,使用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和多重参考坐标系(MRF)的准定常求解方法以及静止域和旋转域进行面搭接的结构网格,研究了螺旋桨旋转速度和来流速度、涵道径弦比以及涵道唇口偏转角度对涵道螺旋桨气动特性的影响和流动机理。研究表明,随着转速的增加,涵道推力占总推力的比例先增加后减小,在研究范围内,涵道和桨叶在不同的来流速度下表现出了不同的流动特性;随来流速度的增加,总推力和推进效率先增大后减小,推力和推进效率的非单调变化主要受到涵道唇口和桨叶当地工况以及涵道唇口和桨叶部件流动分离两方面的影响;带有涵道的构型中,涵道径弦比对涵道螺旋桨的推力特性有重要的影响,研究范围内不同径弦比的涵道螺旋桨的巡航工况下推进效率均大于孤立螺旋桨;研究的向外扩张的涵道唇口其大迎角特性较好,主要体现在大迎角状态下推力较大和失速特性较好,并在以上研究基础上分析总结了涵道螺旋桨和孤立螺旋桨的区别以及涵道与桨叶之间互相影响的现象和机理。

摘要：采用数值模拟方法对内吹式襟翼进行了研究。首先,开发了一种针对内吹式襟翼的参数化方法,该方法可以根据襟翼弦长、偏角、吹气缝高度、位置这些几何参数很好地描述其外形。然后,通过与CC020-010EJ标模的试验压力分布进行对比,验证了所采用数值模拟方法的可信度。分别研究这些几何参数对内吹式襟翼气动性能的影响,研究结果表明:襟翼弦长越长、偏角越大、吹气缝越窄、位置越靠前,翼型的升力系数越大。最后,构建了一种针对内吹式襟翼几何参数的优化设计方法。在固定吹气动量系数的基础上,以襟翼弦长、偏角、吹气缝高度、位置这些几何参数为设计变量,以5°迎角升力系数最大为优化目标,以失速迎角不小于9°为设计约束,开展优化设计。优化结果表明,优化设计方法可以显著提高内吹式襟翼的升力系数,升力系数的提高量达到1.7左右。

摘要：大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点,完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计,给设计师提供有力参考,因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先,以大型民用客机为背景,总结了民机气动设计中的关键科学问题,指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性,并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后,分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展,其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后,对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼,对未来发展趋势进行了展望与建议。

摘要：机翼采用的吹气襟翼偏度很大,由于在前缘产生强大的吸力峰值,会导致失速迎角明显减小。这个问题可以采用可移动的前缘装置来解决,这些装置改善了压力分布,增加了失速迎角,并提高最大升力系数。通常情况下,前缘装置需要在整个前缘布置,但是由于螺旋桨飞机的特殊性,仅在没有滑流影响的外翼段布置即可达到延迟失速的效果。首先针对机翼外翼进行前缘缝翼的二维剖面优化设计,分析了前缘缝翼对翼型失速迎角的影响,然后在三维方案上进行了仿真分析,计算模型考虑了螺旋桨滑流和襟翼吹气的影响,并进行了风洞试验验证。结果表明,采用吹气襟翼的机翼外侧设计前缘缝翼以后,在有动力条件下,失速迎角提高5°,最大升力系数增加0.3。

摘要：针对二维增升装置低速起飞、着陆状态和变弯度翼型高速巡航状态下的高低速气动特性进行综合优化研究,发展了一种基于Kriging代理模型与多目标遗传算法的增升装置多目标气动优化设计方法。使用自适应下垂式铰链襟翼机构,通过襟翼与扰流板联动偏转来改善飞机的低速起降性能及高速巡航性能。将襟翼铰链位置、扰流板偏角和襟翼偏角作为设计变量,通过求解N-S方程来预测初始样本点气动力,利用Kriging代理模型分别建立起飞、着陆和巡航状态下设计变量与气动力之间的关系,得到多个高效气动力预测模型,最后使用多目标遗传算法在代理模型的基础上进行多目标气动优化设计。设计变量变化时计算网格的自动生成采用RBF(radial basis function)动网格技术来实现。基于搭建的高效全局多目标优化设计平台进行了高低速综合气动性能多目标优化,并对Pareto前沿面的多目标解集进行了多设计点校验与分析,筛选出了多目标并重的优化解。

摘要：采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。

摘要：定常流场的求解在现代飞行器气动设计中有着广泛的应用,流场求解效率对飞行器优化的效率有着重要影响。提出了一种将拉普拉斯(Laplace)算子与伪时间推进法相结合的混合方程延拓方法,用于求解定常无黏流动问题。在定常流动问题中,流场通常被初始化为均匀来流条件,然后再开始迭代求解。这就导致初始残差仅在靠近边界的网格处不为零。针对这一特点,通过拉普拉斯算子作为额外耗散措施,加速非线性迭代在求解初期的收敛速度。在非线性迭代的后期,为避免拉普拉斯算子的过度耗散,混合延拓方法逐步过渡为由伪时间项主导。为构造完整的非线性迭代策略,同时给出了延拓系数的初始化、递推和终止方法。最后,将所构造的方法应用于有限元欧拉方程求解器中,分别通过GAMM鼓包内流算例和NACA0012外流算例,在亚声速和跨声速条件下对计算效率进行了验证。数值实验结果表明,混合延拓方法在跨声速算例中可以比单纯拉普拉斯延拓提高1/3~1/4收敛速度,相对于单纯时间推进法的效率提升更为显著。