基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.      

基于混沌多项式方法的层流超临界翼型稳健设计研究

开展层流超临界翼型稳健设计研究。针对传统的基于蒙特卡洛不确定分析方法的稳健设计系统计算量巨大、效率低下等问题,引入了混沌多项式方法,建立了新型稳健设计系统。采用RAE2822翼型稳健设计验证了设计系统的可靠性、高效性。结果表明,混沌多项式方法在保证设计精度的基础上设计效率提高了10倍左右。采用该系统进行了层流超临界翼型稳健设计研究,设计的结果表明:对于层流超临界翼型设计需要兼顾层流区长度、阻力发散特性;基于多目标稳健设计方法可以权衡设计点特性和阻力的波动特性;设计后翼型与原始翼型相比,设计点阻力减小了10cunts,阻力发散马赫数提高了0.01,在整个马赫数范围内维持了低的阻力特性。     

翼型跨声速气动特性的不确定性及全局灵敏度分析

针对马赫数和仰角的随机不确定性会导致气动性能波动的现象, 采用非嵌入式的混沌多项式方法对绕NACA0012 翼型跨声速随机气动特性进行不确定性及全局灵敏度分析. 具体分析了飞行状态的不确定性对气动载荷分布、流场及气动力系数的影响并通过全局灵敏度分析找出重要因素. 不确定性分析结果表明翼型上表面的激波以及激波后分离泡是造成气动性能剧烈波动的主要原因. 灵敏度分析结果表明在跨声速区域马赫数对激波处气动性能影响最大, 此外, 虽然马赫数和仰角相互耦合作用对气动力系数贡献比较小, 但对于激波位置处的流场, 这种互耦合作用不可忽略.      

基于几何不确定性的翼型多目标稳健优化设计

提出在优化设计进程中引进基于各种不确定性波动的稳健优化设计思想, 进行多目标进化优化算法与代理模型技术在稳健优化设计中的应用研究. 提供翼型确定性优化和稳健性优化实例, 并对结果进行对比, 结果表明该稳健优化设计方法可以得到更有实际应用价值的翼型气动外形.      

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件, 而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素, 计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力. 为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征, 本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确定性量化数理模型与算法程序. 该方法分别利用Karhunen-Loeve展开与多项式混沌展开表达输入随机参数与输出响应量, 同时利用伽辽金投影方法将随机热磁对流控制方程解耦为一组可以应用有限元修正方法求解的确定性控制方程, 并对输出响应量多项式混沌进行求解, 最后采用随机投影法求解相应的确定性控制方程中的混沌系数, 得到输出响应量的统计特征与混沌效应. 热磁对流不确定性量化表明多孔介质孔隙率不确定性通过控制方程演化, 进而影响着多孔介质方腔内顺磁性流体热磁对流, 顺磁性流体热磁对流呈现出显著的混沌效应. 与蒙特卡罗法预测结果相比, 两者计算结果吻合良好, 但侵入式混沌多项式展开法计算量显著减少.      

超声速双层翼翼型的阻力特性研究

以布兹曼双层翼为基础,采用基于压力梯度自适应的非结构网格求解欧拉方程的计算流体力学(CFD)方法,计算分析了双层翼翼型的厚度和翼面间距对阻力特性的影响。在马赫数为1.7的情况下,由于激波的反射和干涉,超声速双层翼翼型的阻力系数仅为0.00189,为相同厚度菱形翼型的1/15。本文通过进一步的研究发现:减少翼型厚度对于双层翼翼型设计马赫数的阻力系数有一定的影响,且与超声速状态相比,厚度对于亚声速状态的阻力影响更大,厚度减少20%,亚声速状态的阻力系数减少可达60%以上;翼面间距对阻力特性的影响相对复杂,设计马赫数之前的阻力系数与翼面间距成反比,而设计马赫数之后的阻力系数与翼面间距成正比。在此基础上,基于激波的反射及干涉效应,提出了一种双设计状态的双层翼翼型,在最佳设计点之前,双层翼之间的激波/膨胀波会有两次反射,使翼型前后的压力基本相同,阻力系数出现一次下降。随着马赫数的增加马赫角减少,激波经过一次反射就能使翼型前后的压力基本相同,使翼型达到最佳设计状态。计算结果表明,双设计状态双层翼能够使双层翼翼型在两个设计点都具有较低的阻力系数。     

非嵌入式多项式混沌法在爆轰产物JWL参数评估中的应用

介绍了非嵌入多项式混沌法的数学模型,给出了非嵌入式多项式混沌法进行不确定度量化的主要步骤。采用此方法研究了平面、散心爆轰问题数值模拟中, JWL模型参数R₁、R₂服从均匀分布的随机变量时所引起的爆轰过程计算结果的不确度性,着重分析了爆轰传播过程中压力与密度的统计特性。研究结果表明,非嵌入式多项式混沌法可以为模型输入参数不确定性的传播对输出结果响应量的影响建立一种有效不确定度评估方法,为使用JWL模型时选取参数提供参考。     

高压捕获翼前缘型线优化和分析

为分析翼前缘形状变化对高压捕获翼构型气动性能的影响,基于一种锥体组合捕获翼概念构型,采用幂次函数和余弦函数组合形式对翼前缘型线进行了参数化设计,在比较了多项式和径向基函数两种代理模型的拟合精度基础上,以飞行马赫数7,飞行攻角0° 为计算条件,结合使用均匀实验设计方法、计算流体力学、径向基函数代理模型方法和遗传算法,选择升阻比最大化为目标开展了数值优化,最后基于优化结果进行了单参数的灵敏度分析. 优化结果表明,相对于基准外形而言,优化后构型升力系数增大了约8.1%,阻力系数减小了约12.2%,升阻比提高了约23.4%. 此外,灵敏度分析结果表明升阻比与5 个设计参数均呈非线性关系,其中展向角度对升阻比影响最大,其次为幂次曲线的比例参数,其余3 个参数对升阻比的影响相对较弱.      

高空长航时无人机高升阻比两段翼型设计研究

针对某特定无人机的使用设计要求,在单段翼型设计研究的基础上,尝试了高升阻比低雷诺数两段翼型的设计方法的分析与研究.采用求解椭圆型方程加控制点约束条件的"椭圆-控制点切割法"完成了两段翼型外形的生成,并针对巡航构型的襟翼偏角对缝道参数进行了优化;应用MSES计算分析程序对所设计的两段翼型的气动特性进行了分析评估.计算结果表明:本文所设计的两段翼型的最大升力系数达到2.72,最大升阻比为158.71;与原始单段翼型相比,最大升力系数增大了74.35%,最大升阻比增大了28.64%.     

仿生多孔翼型后缘自噪声数值研究

采用大涡模拟(LES)和声比拟(AA)结合的方法，在低马赫数条件下，对SD7003多孔翼型自噪声声场进行计算，研究多孔材料在不同来流迎角下对翼型自噪声远场声压的影响规律，并阐述噪声的影响机理。结果表明：LES与AA相结合的方法能够较为准确地计算多孔翼型的边界层特征以及远场声压，且数值模拟结果与实验结果非常吻合。来流迎角为0°时，多孔翼型整体声压级随着渗透率的减小先减小后增大，渗透率为5×10^-11 m²时多孔材料的降噪效果最佳。多孔翼型整体声压级随着迎角的增大而增大，但多孔材料的降噪效果随着迎角的增大而减小。多孔材料的存在能够有效地削弱翼型表面的大尺度相干结构，使得翼型表面的RMS压强脉动峰值减小，从而抑制翼型远场噪声。     

钝后缘风力机翼型的环量控制研究

钝后缘风力机翼型具有结构强度高、对表面污染不敏感等优点,但其较大的阻力系数使得翼型的整体气动特性不够理想. 利用环量控制方法对钝后缘风力机翼型进行了流动控制,以改善钝后缘风力机翼型的气动特性,减弱尾迹区脱体涡强度. 通过对钝后缘风力机翼型环量控制方法进行相关的数值模拟,对比研究了环量控制方法的增升减阻效果, 研究了环量控制下翼型升阻力特性随射流动量系数的变化规律,并对不同射流动量系数下环量控制方法的气动品质因子和控制效率进行了分析. 研究结果表明:环量控制方法能够大幅提升钝后缘风力机翼型的升力系数,同时有效地降低翼型的阻力系数; 翼型的升力系数随射流动量系数的增大而增大,表现出很明显的分离控制阶段和超环量控制阶段的变化规律; 射流能耗的功率系数随射流动量系数的增大而增大,且增长速率逐渐增大;实施环量控制方法后叶片的输出功率同样随射流动量系数增大而增大,但增长速率逐渐降低. 总体来说,环量控制方法可以有效地改善钝后缘风力机翼型的气动特性以及功率输出特性,在大型风力机流动控制中具有很好的应用前景.      

Robust design of natural laminar flow supercritical airfoil by multi-objective evolution method

A transonic, high Reynolds number natural laminar flow airfoil is designed and studied. The γ-θ transition model is combined with the shear stress transport(SST)k-w turbulence model to predict the transition region for a laminar-turbulent boundary layer. The non-uniform free-form deformation(NFFD) method based on the non-uniform rational B-spline(NURBS) basis function is introduced to the airfoil parameterization.The non-dominated sorting genetic algorithm-II(NSGA-II) is used as the search algorithm, and the surrogate model based on the Kriging models is introduced to improve the efficiency of the optimization system. The optimization system is set up based on the above technologies, and the robust design about the uncertainty of the Mach number is carried out for NASA0412 airfoil. The optimized airfoil is analyzed and compared with the original airfoil. The results show that natural laminar flow can be achieved on a supercritical airfoil to improve the aerodynamic characteristic of airfoils.     

AN APPROXIMATE MODEL OF UNSTEADY AERODYNAMICS FOR HYPERSONIC PROBLEMS AT HIGH ALTITUDE

针对高空高马赫数飞行环境和强黏性干扰的物理特性, 在当地流活塞理论的基础上引入有效外形修正, 发展了黏性修正当地流活塞理论, 结合定常N-S方程解给出了高空高马赫数下针对该方法的有效外形的判据, 并通过数值算例对该判据进行了验证.通过对典型尖头薄翼和典型钝头翼的一系列二维非定常算例, 将该方法与一阶活塞理论、基于欧拉(Euler)方程的当地流活塞理论和非定常N-S方程数值解进行了对比. 结果显示在高度为40~70 km、马赫数为10~20范围内, 通过该方法计算得到的非定常气动力与非定常N-S方程数值解吻合较好, 明显优于活塞理论和基于Euler方程的当地流活塞理论.该方法克服了传统的活塞理论和当地流活塞理论不能用于高空高马赫数这类强黏性效应情况的弊端, 在较宽的马赫数、攻角、飞行高度范围内都有良好的适用性, 同时其计算效率远高于非定常N-S方程.     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

乘波体前体/进气道一体化设计研究

为了研究乘波体几何外形参数和飞行参数对前体/进气道一体化设计的影响,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,以马赫数Ma=6和攻角α=0为设计状态、进气道总压恢复系数和前体阻力系数为目标函数,对乘波体前体/进气道进行了优化设计,并在此基础上研究了攻角、马赫数、前缘半径、前体宽度对气动参数的影响。结果表明:该乘波体前体/进气道构型具有良好的攻角特性,总压恢复系数比基准构型提高17.79%,阻力系数比基准构型降低78.5%,符合高超声速飞行器高升力、低阻力的要求,且非常适合小攻角高超声速巡航飞行;为了得到较高升阻比的前体,在前缘半径R≤2mm的范围内进行流场反设计时,可以将设计马赫数的取值比预期低一些。     

A new direct design method for the medium thickness wind turbine airfoil

The newly developed integral function of airfoil profiles based on Trajkovski conformal transform theory could be used to optimize the profiles for the thin thickness airfoil. However, it is hard to adjust the coefficients of the integral function for the medium thickness airfoil. B-spline curve has an advantage of local adjustment, which makes it to effectively control the airfoil profiles at the trailing edge. Therefore, a new direct design method for the medium thickness wind turbine airfoil based on airfoil integral expression and B-spline curve is presented in this paper. An optimal mathematical model of an airfoil is built. Two new airfoils with similar thickness, based on the new designed method and the original integral method, are designed. According to the comparative analysis, the CQU-A25 airfoil designed based on the new method exhibits better results than that of the CQU-I25 airfoil which is designed based on the original method. It is demonstrated that the new method is feasible to design wind turbine airfoils. Meanwhile, the comparison of the aerodynamic performance for the CQU-A25 airfoil and for the DU91-W2-250 airfoil is studied. Results show that the maximum lift coefficient and the maximum lift/drag ratio of the CQU-A25 airfoil are higher than the ones of DU91-W2-250 airfoil in the same condition. This new airfoil design method would make it possible to design other airfoils with different thicknesses.     

Robust airfoil optimization based on improved particle swarm optimization method

A robust airfoil optimization platform is constructed based on the modified particle swarm optimization method (i.e., the second-order oscillating particle swarm method), which consists of an efficient optimization algorithm, a precise aerodynamic analysis program, a high accuracy surrogate model, and a classical airfoil parametric method. There are two improvements for the modified particle swarm method compared with the standard particle swarm method. First, the particle velocity is represented by the combination of the particle position and the variation of position, which makes the particle swarm algorithm a second-order precision method with respect to the particle position. Second, for the sake of adding diversity to the swarm and enlarging the parameter searching domain to improve the global convergence performance of the algorithm, an oscillating term is introduced to the update formula of the particle velocity. At last, taking two airfoils as examples, the aerodynamic shapes are optimized on this optimization platform. It is shown from the optimization results that the aerodynamic characteristic of the airfoils is greatly improved in a broad design range.