应用自适应遗传算法的气动优化设计

对简单遗传算法(SGA)加以改进,形成了气动优化设计中的自适应遗传算法(SAGA)。采用实数编码来表示种群中的个体,不需要进行二进制的编码和解码操作,并针对具体问题设计了杂交和变异算子,提高了优化设计的质量和效率。最后分别以翼型和机翼为例,应用自适应遗传算法对跨音速翼型和机翼的升阻比进行优化设计。     

多目标优化设计方法在翼型气动优化中的应用研究

本文将粘性流场分析与数值优化方法结合起来,由粘性流场分析得到升力、阻力等气动参数作为样本训练神经网络,并用训练好的神经网络来预测优化目标函数,分别采用了多日标遗传算法与多目标粒子群算法,对一种跨音速翼型的气动性能进行了多目标优化设计,并采用模糊偏好信息的多属性决策方法对多个优化解进行评价选优.算例研究表明,两种多目标优化算法都能得到有限多个多目标优化解,通过多属性决策方法评价选优的优化翼型气动性能有明显提高.     

基于控制理论和N-S方程的二维叶栅气动优化算法

基于控制理论的气动优化方法的计算量与设计变量无关,可快速精确地完成控制变量的灵敏度分析.本文以出口熵增最小为目标函数,详细推导了二维 N-S 方程伴随系统的偏微分方程组及其相应的边界条件和敏感性导数的表达式.以拟牛顿算法为优化求解器,利用 CFD 方法求解流动变量,采用时间推进方法求解伴随方程,建立了基于黏性伴随方法和 N-S 方程的二维叶栅气动优化设计算法.     

应用控制理论的叶栅气动反设计

基于控制理论的气动设计方法作为一种基于梯度的优化方法,通过引入伴随系统计算目标函数的敏感性导数,大大降低设计成本.本文将基于控制理论的气动设计方法应用到透平叶栅的气动反问题中,应用Euler方程研究了二维叶栅的压力反设计问题,并讨论了该方法具体实施中的关键问题,包括采用非均匀B样条进行二维叶栅造型;应用Thompson时间相关边界条件理论进行伴随方程特征分析;研究伴随方程的数值求解方法,构造伴随方程的耗散通量.通过算例证明了该气动设计方法适用性好,速度快,可以大大节约计算成本.     

旋翼桨尖几何形状对旋翼气动噪声影响的定量计算分析

采用CFD与计算声学相结合的Euler Kirchhoff方法对UH-1H直升机旋翼跨声速悬停流动的远场噪声进行定量计算,并将计算结果与实验值进行比较,验证了Euler Kirchhoff方法的正确性.然后以UH-1H直升机旋翼为基准旋翼,定量计算了对桨尖旋翼翼型厚度、旋翼尖削度、后掠角进行变化后的旋翼悬停流场的远场噪声,分析了旋翼桨尖几何形状对噪声的影响.得出结论:降低桨尖翼型厚度、浆尖尖削、浆尖后掠均可以降低噪声峰值.     

透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法

将基于控制理论的形状优化设计方法应用于粘性可压流动条件下的透平叶栅三维气动反设计,详细推导了三维N-S方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件.讨论了伴随系统的解的适定性条件,并由此给出应用N-S方程进行气动优化的目标函数的选取限制.研究了伴随方程的数值求解技术,给出敏感性导数的最终计算式,结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅粘性反问题的气动设计方法.     

基于涡声理论的低速轴流风机气动噪声研究

采用PIV和CFD对不同安装角低速轴流风机流场进行对比研究,结合低速等熵流动的涡声理论分析风机内部流场与噪声辐射关联,在此基础上计算风机气动噪声.研究表明,低速等熵流动的气动噪声主要源于流场中涡系的拉伸与破裂.均匀进气情况下低速轴流风机的主要气动噪声源为叶片尾缘涡脱落噪声和叶尖涡噪声,其中前者强度明显大于后者.在此基础上,应用基于CFD的涡脱落噪声预测模型对风机气动噪声预测结果与实验吻合较好.     

Navier-Stokes方程的最小二乘等几何方法

基于Hermite多项式的C¹型单元构造复杂,限制了最小二乘有限元法的应用.引入高阶光滑的非均匀有理B样条作为基函数简化C¹型单元构造,提出求解黏性不可压流动Navier-Stokes方程的最小二乘等几何方法.用Newton法或Picard法对Navier-Stokes方程线性化,用线性化偏微分方程的余量定义最小二乘泛函,导出最小二乘变分方程,用NURBS构造高阶光滑的有限维空间来近似速度场和压力场.计算表明:本文方法计算的二维顶盖驱动流数值解能准确描述流动状况,计算的二维通道内圆柱绕流全局质量损失由最小二乘有限元法的6%降为0.018%,该方法可用于Navier-Stokes方程的求解,并且具有较好的质量守恒性.     

基于N-S方程的支撑机翼高亚声速气动外型设计

相对常规悬臂梁布局飞机，支撑机翼飞机允许有更大的展弦比、更薄的机翼及较小的后掠角，从而可以减小诱导阻力、波阻，并增加层流范围，是未来飞机的一个可供选择方案.文章基于N-S方程对高亚声速支撑机翼构型进行了气动外型设计，在巡航Mach数为0.7，设计升力系数为0.6的条件下，支撑机翼构型相对无支撑构型升阻比仅减小6.3%，而初始无支撑翼身组合体构型相较常规悬臂梁翼身组合体构型最大升阻比提高了约35%，设计结果表明支撑机翼构型是可明显提高飞行性能的未来高亚声速飞机的一种新型外型.文章也对支撑外型、位置参数及机翼内翼下翼面外型修型对支撑机翼构型的干扰影响进行了研究，研究结果表明:支撑上翼面外型、支撑弦长、相对厚度、展向位置、扭转角分布及机翼下翼面外型对支撑机翼构型气动影响较大.      

水平轴风力机专用翼型族试验分析及优化设计

对水平轴风力机专用翼型族—CAS-W1-XXX薄翼型族试验结果进行了分析,并将其与国外同等厚度翼型进行对比。试验结果表明,与国外同等厚度翼型相比CAS-W1-XXX薄翼型具有良好的前缘粗糙不敏感性、高的最大升力系数、设计升力系数和良好的失速特性。为进一步提高翼型的气动特性,在试验结果的基础上对CAS-W1-XXX薄翼型族进行再次优化。根据XFOIL计算结果,优化后翼型的最大升阻比得到提高,并且与DU翼型相比具有良好的气动特性。同时对CAS-W1-XXX厚翼型中出现的小攻角失速现象进行了优化改进。     

锯齿尾缘降噪翼型优化设计研究

大量研究工作表明旋转风电叶片的主要气动噪声来自叶尖尾缘区域,一直以来都是严重影响居民生活和叶片气动性能发挥的重要因素之一.为此,针对决定叶片重要气动特性单元——二维翼型,采用有别于传统的仿猫头鹰翅膀锯齿尾缘流动控制方法,将锯齿关键尺寸参数融入到风力机翼型设计之中,从而开发仿生锯齿翼型的优化设计方法,获得低噪声与高气动性...     

YLSG 107高升力翼型主动流动控制的数值模拟

数值模拟零质量射流与YLSG 107翼型绕流的干扰流场,探讨零质量射流在高升力翼型失速控制中的控制效果、控制特性及控制机理.数值模拟以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.通过在喷口上施加非定常边界吹/吸边界条件模拟射流对翼型绕流的干扰.采用与风洞实验相同的来流状态和控制参数进行数值模拟,得到与实验相吻合的结果.为进一步研究控制特性和控制规律、提出改进的实验方案,研究不同动量系数、不同射流偏角对控制效果的影响,并对法向射流和近切向射流进行较深入的比较.研究表明,先前的风洞实验对应的射流动量系数(0.000 014)偏小是控制效果不显著的重要原因之一,必须达到0.001以上才有明显控制效果(射流动量系数为0.005时可使该翼型失速迎角增大2°,最大升力提高8.7%);近切向射流在失速控制方面明显优于法向射流.     

The Optimal Error Estimate of the Fully Discrete Locally Stabilized Finite Volume Method for the Non-Stationary Navier-Stokes Problem

This paper proves the optimal estimations of a low-order spatial-temporal fully discrete method for the non-stationary Navier-Stokes Problem. In this paper, the semi-implicit scheme based on Euler method is adopted for time discretization, while the special finite volume scheme is adopted for space discretization. Specifically, the spatial discretization adopts the traditional triangle P1−P0 trial function pair, combined with macro element form to ensure local stability. The theoretical analysis results show that under certain conditions, the full discretization proposed here has the characteristics of local stability, and we can indeed obtain the optimal theoretic and numerical order error estimation of velocity and pressure. This helps to enrich the corresponding theoretical results.     

三级跨音压气机设计工况气动性能分析

本文针对某三级高负荷轴流压气机开展数值研究,获得并分析其在设计工况下的总体气动性能以及各级性能的匹配特性.采用商业软件NUMECA作为CFD计算工具,并结合实验结果对数值方法进行验证.分析表明,网格无关性能够满足当前气动性能分析要求,设计转速与设计点性能计算结果与实验符合较好.第三级,特别是静叶,表现出较大的损失以及与...     

Simulation of Viscous Flows Around a Moving Airfoil by Field Velocity Method with Viscous Flux Correction

Based on the field velocity method, a novel approach for simulating unsteady pitching and plunging motion of an airfoil is presented in this paper. Responses to pitching and plunging motions of the airfoil are simulated under different conditions. The obtained results are compared with those of moving grid method and good agreement is achieved. In the conventional field velocity method, the Euler solver is usually used to simulate the movement of the airfoil. However, when viscous effect is considered, unsteady Navier-Stokes equations have to be solved and the viscous flux correction must be taken into account. In this work, the viscous flux correction is introduced into the conventional field velocity method when non-uniform grid speed distribution is occurred. Numerical experiments for the flow around NACA0012 airfoil showed that the proposed approach can well simulate viscous moving boundary flow problems.     

Two-Level Defect-Correction Method for Steady Navier-Stokes Problem with Friction Boundary Conditions

In this paper, we present two-level defect-correction finite element method for steady Navier-Stokes equations at high Reynolds number with the friction boundary conditions, which results in a variational inequality problem of the second kind. Based on Taylor-Hood element, we solve a variational inequality problem of Navier-Stokes type on the coarse mesh and solve a variational inequality problem of Navier-Stokes type corresponding to Newton linearization on the fine mesh. The error estimates for the velocity in the $H^1$ norm and the pressure in the $L^2$ norm are derived. Finally, the numerical results are provided to confirm our theoretical analysis.     

Error Estimates and Superconvergence of Mixed Finite Element Methods for Optimal Control Problems with Low Regularity

In this paper, we investigate the error estimates and superconvergence property of mixed finite element methods for elliptic optimal control problems. The state and co-state are approximated by the lowest order Raviart-Thomas mixed finite element spaces and the control variable is approximated by piecewise constant functions. We derive $L^2$ and $L^\infty$-error estimates for the control variable. Moreover, using a recovery operator, we also derive some superconvergence results for the control variable. Finally, a numerical example is given to demonstrate the theoretical results.     

某1＋1／2对转涡轮的气动设计及分析

针对某1＋1／2对转涡轮进行了气动设计及流场分析。在设计中,以降低高压转子通道中激波损失为目标,低压级载荷系数选择了较高和较低两种方案。分析表明,虽然第二种方案可以降低高压转子出口马赫数,但该方案亦具有过渡段损失较大等劣势,故本文最终选择了第一个方案。利用该方案,本文完成了1＋1／2对转涡轮的气动设计并对该涡轮进行了三...     

平面叶栅气动噪声的高精度谱元方法求解

本文建立了一种用于气动噪声预测的高精度三角谱元方法.结合CBS法(Characteristic-based split method)求解Navier-Stokes方程获取伪声压声源后,基于波动方程求解声传播问题.谱元法的谱收敛特性满足了气动声学问题的高精度需求,而CBS法的引入保证了高雷诺数问题的计算稳定性.通过两组...