基于CFD的復雜氣動優(yōu)化與穩(wěn)健設計方法研究.pdf

1、飛行器氣動優(yōu)化設計是現(xiàn)代CFD(Computational Fluid Dynamics)技術與優(yōu)化搜索方法相結合而形成的一個新的研究方向，是飛行器設計學科的重要組成部分。隨著航空科技的發(fā)展，對各類飛行器提出的各類性能需求不斷增加，同時要求也不斷提高，給飛行器氣動特性設計提出了更多更復雜的設計要求，引發(fā)了高維多目標設計問題；同時氣動外形也更加復雜，需要對外形進行精細設計，這使得設計變量數目不斷增加，造成了多設計變量問題；對于工程設計，要

2、求飛行器性能更加穩(wěn)健可靠，需要通過設計來減小不確定性因素對飛行器性能的影響，對于氣動設計需要開展穩(wěn)健設計問題研究。圍繞飛行器復雜優(yōu)化問題和穩(wěn)健性設計問題，本文首先開展了氣動數值模擬方法的研究，開發(fā)了一套高效可靠的CFD計算程序，為氣動優(yōu)化奠定了基礎。進一步研究了氣動外形參數化方法，優(yōu)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氣動優(yōu)化平臺。在本文優(yōu)化設計平臺的基礎上開展了復雜氣動優(yōu)化問題研究和基于不確定分析的氣動穩(wěn)

3、健性設計研究工作。
　　本文主要完成了以下幾個方面的工作：
　　1.針對飛行器氣動外形設計，開發(fā)了一套數值求解 RANS(Reynolds Averaged Na-vier-Stokes)方程的高效氣動分析程序，通過典型的航空氣動算例驗證了該程序的氣動分析精度。研究了分區(qū)拼接網格的劃分與邊界插值策略，保證復雜流場計算精度要求的前提下，降低計算難度，提高計算效率；第二，針對邊界層轉捩對氣動外形優(yōu)化設計的影響，開展了當地變量轉捩

4、模式研究，并將其引入 CFD數值計算系統(tǒng)，進行了典型的邊界層轉捩數值模擬，為層流技術研究應用奠定了基礎。
　　2.為了解決復雜氣動外形高效優(yōu)化設計技術問題，針對構成氣動外形優(yōu)化設計方法中的參數化方法、代理模型技術、優(yōu)化搜索算法三要素開展研究。首先，研究了多種翼型機翼參數化方法，包括 CST參數化方法，F(xiàn)FD參數化方法，實現(xiàn)了從翼型到機翼以及到全機氣動外形的參數化建模。針對三維復雜外形精細化設計，開發(fā)了基于 NURBS基函數的FFD

5、方法，有效解決了以Bezier基函數為基礎的FFD參數化方法設計空間不足，設計變量相關性強的問題；第二，開展了代理模型技術研究，重點以 Kriging代理模型為例，研究了設計變量維數對代理模型精度的影響，結果表明隨著設計變量數目的增加，代理模型精度急劇下降，構造代理模型所需樣本數目迅速增加，出現(xiàn)了代理模型“維度災難”問題。結合傳統(tǒng)的基于松散式代理模型管理框架的氣動外形優(yōu)化設計方法，發(fā)現(xiàn)了由于受多設計變量對代理模型精度影響，導致了優(yōu)化搜索

6、過程中基于代理模型優(yōu)化結果的“精度凍結”問題。針對多設計變量下的代理模型問題，建立了基于空間分區(qū)的代理模型構造方法，提高了代理模型精度和構造效率，并以此為基礎提出了基于分區(qū)代理模型的協(xié)同優(yōu)化管理框架，以典型的BWB(Blended-Wing-Body)布局運輸機氣動外形精細化設計為例，完成了BWB氣動外形精細化優(yōu)化設計，驗證了優(yōu)化設計方法。
　　3.開展了高維多目標優(yōu)化研究，針對傳統(tǒng)多目標優(yōu)化算法收斂困難及優(yōu)化結果難以進一步決策等

7、問題，采用PCA(Principal Component Analysis)分析方法進行高維多目標問題的主要目標提取，針對該方法存在的問題，結合改進ε-constraint優(yōu)化方法和工程分析，建立了分層多級約束優(yōu)化設計方法，采用該方法系統(tǒng)地進行了旋翼翼型氣動優(yōu)化設計研究，優(yōu)化結果表明分層多級約束方法很好地解決了旋翼翼型高維多目標設計難題，最終得到了一套先進的旋翼翼型族。
　　4.開展了氣動穩(wěn)健設計研究，針對傳統(tǒng)的不確定性分析方法(

8、蒙特卡洛取樣方法)計算耗時，效率低下等問題，引入PCE(Polynomial Chaos Expansion)混沌多項方法，以少數求積節(jié)點來構造不確定性響應模型，提高了分析計算效率；耦合 PCE不確定分析方法和優(yōu)化設計系統(tǒng)建立了考慮飛行狀態(tài)不確定性的氣動穩(wěn)健設計模型，通過超臨界翼型穩(wěn)健設計對文中方法進行了驗證，并與傳統(tǒng)的基于MCS(Monte Carlo Simulation)模擬的穩(wěn)健設計方法進行了對比，結果表明本文方法是高效可靠的，