基于數(shù)據(jù)降維技術(shù)的氣動外形設(shè)計方法.pdf

1、設(shè)計能力、設(shè)計效率、魯棒性及對經(jīng)驗的依賴性是決定氣動外形設(shè)計方法是否實用的四個主要因素。傳統(tǒng)的反設(shè)計方法經(jīng)驗依賴性強，魯棒性與設(shè)計能力也較差，但設(shè)計效率很高。優(yōu)化設(shè)計方法魯棒性好、經(jīng)驗依賴性低，但也存在一些影響實用性的問題：基于現(xiàn)代啟發(fā)式算法的優(yōu)化設(shè)計方法在設(shè)計效率方面不盡如人意，而基于梯度信息的優(yōu)化設(shè)計方法則不具備全局尋優(yōu)能力。從數(shù)據(jù)分析的角度來說，氣動外形設(shè)計中涉及到的數(shù)據(jù)基本都是多維的。如設(shè)計變量是多維的，CFD求解出的離散流場也

2、是多維的。數(shù)據(jù)的維度越高，氣動設(shè)計問題往往也越復(fù)雜。數(shù)據(jù)降維方法能在保留數(shù)據(jù)集主要特征的基礎(chǔ)上有效降低數(shù)據(jù)的維度，使相關(guān)氣動設(shè)計問題得到簡化。
　　針對氣動設(shè)計方法中存在的主要問題，結(jié)合數(shù)據(jù)降維的思想與具體方法，本文開展了以下幾個方面的工作：
　　1、構(gòu)建了三套用途不同的氣動外形優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)?；诟倪M的微分進化算法與氣動力快速評估程序構(gòu)建了氣動力直接求解的全局型優(yōu)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)適用于面向全局最優(yōu)的初步設(shè)計；基于改進的微分進化

3、算法與Kriging代理模型構(gòu)建了氣動力預(yù)測的全局型優(yōu)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)適用于設(shè)計變量較少時面向全局最優(yōu)的高精度設(shè)計；基于改進的最速下降法、離散伴隨求解器及RANS方程求解器構(gòu)建了基于梯度信息的優(yōu)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)適用于設(shè)計變量較多時面向局部最優(yōu)的高精度設(shè)計；
　　2、對典型數(shù)據(jù)降維方法進行了研究與發(fā)展。在線性方法方面，研究了POD、SVD兩種典型方法的性質(zhì)，從理論證明了兩種方法的等價性，闡述了兩者在實際使用中的差異；在非線性方法方面，研

4、究了ISOMAP算法及其改型L-ISOMAP算法的性質(zhì)，基于最小子集覆蓋與SVD開發(fā)了一種新型鄰域參數(shù)與流形本征維度估算方法，此估算方法在保證估算精度的同時最大限度地減少了計算量；
　　3、改進了Gappy POD氣動外形反設(shè)計方法。提出了最優(yōu)快照替換采樣法代替原始方法中的隨機采樣法，以增強樣本擬合設(shè)計目標的能力；根據(jù)原始方法每個迭代步產(chǎn)生的誤差，開發(fā)了一種實時修正目標壓力分布的方法，以提高每個迭代步的設(shè)計精度。在計算效率相當?shù)那?/p>

5、況下，改進后的反設(shè)計方法設(shè)計精度明顯高于原始方法；
　　4、提出了將反設(shè)計方法與優(yōu)化設(shè)計方法組合使用的氣動外形設(shè)計策略，實現(xiàn)了反設(shè)計方法與優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)勢互補。組合設(shè)計策略的基本思路為：先用改進的Gappy POD反設(shè)計方法對初始構(gòu)型進行粗略設(shè)計，然后再用優(yōu)化方法進行精細設(shè)計。算例表明，這種設(shè)計策略具有設(shè)計能力強、效率高、魯棒性好且經(jīng)驗依賴性低的特點；
　　5、提出了基于預(yù)測初始流場的流場求解加速方法，以緩解優(yōu)化過程中流場

6、求解過于費時的問題。具體提出了兩種初始流場預(yù)測方法：基于幾何相似準則的預(yù)測方法及基于代理模型與POD的預(yù)測方法。兩種方法均能有效減少流場求解所需的時間，且第二種方法的效果更好。根據(jù)各自的特點，進一步提出了一種在優(yōu)化設(shè)計中將兩種方法搭配使用的策略，以最大限度地減少優(yōu)化設(shè)計過程中流場求解所需的時間；
　　6、提出了先對設(shè)計空間進行過濾，然后重新構(gòu)建一個無約束設(shè)計空間的思想。將流形學(xué)習(xí)算法與流形結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，建立了一種處理氣動外形

7、設(shè)計中幾何約束條件的新方法。測試表明：此方法對基于氣動力直接求解的全局型優(yōu)化系統(tǒng)及基于梯度信息的優(yōu)化系統(tǒng)是適用的，能明顯提升系統(tǒng)的計算效率，增強系統(tǒng)處理幾何約束的能力。但這種新方法不適用于使用了代理模型的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；
　　7、采用基于代理模型的全局型優(yōu)化系統(tǒng)對L1T2多段翼型進行了優(yōu)化。優(yōu)化過程中使用了基于初始流場預(yù)測的流場求解加速技術(shù)，節(jié)省了約75％的流場求解時間。較之初始構(gòu)型，優(yōu)化構(gòu)型的升力系數(shù)提升了8.63%；