摘要：In this work, a novel airframe/propulsion integration design method of the wing-body configuration for hypersonic cruise aircraft is proposed, where the configuration is integrated with inward-turning inlets. With the help of this method, the major design concern of balancing the aerodynamic performance against the requirements for efficient propulsion can be well addressed. A novel geometric parametrically modelling method based on a combination of patched class and shape transition（CST） and COONs surface is proposed to represent the configuration, especially a complex configuration with an irregular inlet lip shape. The modelling method enlarges the design space of components on the premise of guaranteeing the configuration integrity via special constraints imposed on the interface across adjacent surfaces. A basic flow inside a cone shaped by a dual-inflection-point generatrix is optimized to generate the inward-turning inlet with improvements of both compression efficiency and flow uniformity. The performance improvement mechanism of this basic flow is the compression velocity variation induced by the variation of the generatrix slope along the flow path. At the design point, numerical simulation results show that the lift-to-drag ratio of the configuration is as high as 5.2 and the inlet works well with a high level of compression efficiency and flow uniformity. The design result also has a good performance on off-design conditions. The achievement of all the design targets turns out that the integration design method proposed in this paper is efficient and practical.

摘要：提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method,SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。

摘要：提出了基于代理模型的两步优化方法,用于翼型在黏性流场中气动外形的优化设计。第一步优化使用基于代理模型的遗传算法(GA)获得全局最优解的大致范围,以本征正交分解(POD)方法作为第一步优化中气动力计算的代理模型方法,降低遗传算法的计算量,并对其采样解的生成方法进行改进,提高了计算精度;第二步优化使用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),既改善了第一步优化结果,又修正了代理模型所引入的误差。针对传统型函数方法在翼型后缘表达不足的缺陷进行改进,提高了型函数对翼型的表达精度。不同外形翼型的反设计结果以及不同来流状态下的优化设计结果表明,本文提出的两步优化方法是一种高效且具有实用价值的优化方法。

摘要：首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法（GA）和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换（CST）参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解（POD）代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法（SDA）,修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。

摘要：为提高翼型优化设计效率,增大设计空间,采用B样条基函数替代传统的形状类别函数(CST)方法中的Bezier多项式,增强了对翼型参数化表达的局部控制能力并提高了翼型局部表达精度。为了确保翼型在优化设计过程中的几何光顺特性和代理模型的准确性,采用小波分解技术提出了多分辨率翼型的局部光顺方法。采用基于本征正交分解(POD)的流场数值代理模型,并结合γ-Reθt转捩模型实现了快速准确的气动力与流动转捩预测。采用小波技术光顺的CST翼型参数化建模、POD流场数值计算代理模型以及γ-Reθt转捩模型,结合遗传算法建立了完整的翼型气动优化设计系统。针对低速层流翼型与超临界翼型进行优化设计,优化设计后的翼型升阻比分别提高了47.42%和45.85%,且对改进前后参数化建模方法的优化性能进行了对比,结果表明本文构建的翼型气动优化设计系统具备很高的优化效率。

摘要：旋翼翼型设计是直升机旋翼设计的基础,准确计算翼型气动特性是设计工程实用翼型的关键。在翼型的气动特性设计过程中,使用红外成像非接触测量转捩实验技术在大型Φ3.2 m低速风洞中测试了OA309旋翼翼型的自由转捩位置,采用Michel模型计算了自由转捩位置以及自由转捩对气动力的影响。通过OA309旋翼翼型的计算与实验结果对比可以看出,计算捕捉到的转捩位置与实验结果基本一致。红外成像非接触测量转捩技术与Michel模型的联合应用提高了旋翼翼型的阻力计算精度,为翼型多目标设计奠定了基础。

摘要：采用数值计算方法模拟零迎角跨声速来流下战斗机后体流场,并进行后体外形的减阻优化设计。通过数值求解二维轴对称Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和气体组分方程,研究战斗机后体绕流与尾喷流相互耦合的流场特性,对三种欠膨胀喷管压比下的喷流进行数值模拟,同时对比多组分气体喷流和理想气体喷流对后体阻力的影响。采用梯度法对轴对称后体外形进行减阻优化设计,提出一种优化设计加速算法,其基本思路是通过逐步增加设计控制点个数并根据外形曲率合理分布设计控制点的位置,从而改善梯度法的优化效率。计算结果发现,超声速喷流会在后体尾部附近形成复杂的波系结构;与组分气体喷流相比,采用理想气体作为喷流介质时的后体阻力系数略高;在跨声速来流状态下,后体阻力系数值随喷压比的增大而减小。优化结果显示,优化后的的后体阻力系数可以降低13%左右;与一次性均匀分布优化控制点的梯度法优化方法相比,采用提出的优化加速算法可以缩短优化计算时间40%左右,并且可以提高优化设计的精度。

摘要：计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:1NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;2NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;3AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。

摘要：在虚拟飞行试验和飞行器优化设计中,高维高精度的计算往往伴随着高昂的计算成本.代理模型可以大幅度提高计算效率,同时具备对多源多精度数据的融合能力,可基于离散试验数据点进行气动特性校正.基于此目的,将控制方程向低维空间投影,提出一种侵入式降阶的边界层修正算法,在保证精度同时高效地实现采样数据库的扩充,在此基础上构建的代理模型能够提升对飞行器阻力系数的预测精度.其次,通过在降阶模型中融合多源离散试验数据,基于最小二乘的思想引入边界约束,使得代理模型对物面压力分布特性的预测更加贴合给定的试验值.随后构建Kriging桥函数,将局部约束外推至整个物面,实现物面任意位置压力和热流分布修正值的智能匹配,为多源离散约束的融合提供一种新的算法.上述方法在二维翼型和三维钝锥以及无舵飞行器中得到验证,结果表明多精度数据融合算法构造的代理模型相比于单一精度源的代理模型预测流场残差更小,阻力系数预测更为精准,且当无黏采样的外场信息足够充足时,多精度模型预测结果可与CFD计算结果基本无异.进一步发展的多源数据融合算法和气动特性智能外推算法可充分融合离散点试验数据,改善物面压力分布和热流分布的预测结果.

摘要：为研究运动舱门对内埋弹舱(空腔)非定常流场和舱内噪声特性的影响,开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法,采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场(Ma=0.6)进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型(M219)验证所用的高精度数值格式的有效性,然后应用发展的方法对干净空腔(C201)、带静态舱门(30°、60°、90°和120°)的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟,并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题,采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现,与干净空腔相比,舱门小开度(30°)时,舱门会限制法向和展向的流动,从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换,腔内壁面总声压级比干净空腔低5~8 dB,但是两者变化趋势一致,且二阶Rossiter模态频率偏高;在打开角度较大(60°以后)时,舱门对腔内流动的影响主要表现在展向,此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高,舱门阻碍噪声的展向传播,使得腔内的总声压级升高(3~10 dB不等),二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中,腔内总声压级介于小开度与大开度之间,与干净空腔水平相当;在舱门打开角度为90°时,腔内总声压级呈现与准定常模拟结果类似的分布,该研究对真实弹舱的流动分析与设计有指导价值。