机翼气动外形优化设计方法综述

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1、14飞机工程2007年第1期机翼气动外形优化设计方法综述李丽黄俊(北航航空科学与工程学院，北京)SummarizationofWingAerodynamicShapeOptimizationDesignMethodLILiHUANGJun摘要：机翼的数值优化过程包括定义机翼的初始气动外形，计算气动特性(建模、分析)和数值优化两大部分，这里归纳并分析了几种常用的优化方法，围绕机翼的建模分析和数值优化。对机翼优化设计方法应用现状和发展趋势进行了阐述。关键词：机翼；气动外形优化；数值优化方法飞机气动外形优化设计的目的是在给定约束速度分布，通过几何和流动控制方

2、程，逐步逼近给条件下，确定尽可能好的气动外形，最大限度地提定的气动状态，从而确定设计目标几何形状。这高飞机性能和飞行品质。机翼是飞机的主要升力种方法计算量相对小，但是在选取目标压力分布面，也是影响飞机性能的最主要部件，机翼的气动或初始外形时，要求用户具有丰富的经验，处理几力设计是影响整架飞机性能的一个主要因素，因何、气动以及非设计的约束也比较困难。这两种此空气动力学家们一直致力于在各种飞行状态方法都是依靠CFD计算机技术和最优化理论，与下，气动性能更优异的机翼的研究。传统的机翼设反设计法相比，直接数值优化设计方法具有更大计主要是根据经验及现有翼型资料，

3、裁剪修正，再的灵活性，它不但可以把设计对象与目标对象的用风洞实验或计算进行分析验证，进而修改机翼压力差作为目标，来处理传统的气动反设计问题，外形。现代飞行器的外形及绕流流场越来越复而且可以选取升阻比、阻力等气动特性作为目标，杂，对机翼的气动性能要求也越来越高，设计周期直接对目标特性进行优化处理。此外，在处理设越来越短，传统的设计方法已经不能胜任这些要计约束时，可以直接应用各种约束算法，也可以很求。近十几年来，伴随着计算流体动力学(Compu—方便地将有约束问题转化为无约束问题，因而具tationalFluidDynamics，简称CFD)及计算机的快有

4、更大的灵活性和使用价值。因此这里以直接数速发展，数值优化方法作为一种新型的气动设计值优化设计方法为主要研究对象。方法开始广泛使用。当前的最优化设计方法可以分为两类，一类是在计算迭代过程中需要频繁的计算目标函数的1优化设计方法梯度，如最速下降法，共扼梯度法，牛顿法，还有用于解非线性规划问题的序列二次规划法等等，而机翼优化设计方法一般分为直接数值优化设在工程计算中，梯度的计算往往很困难；另一类方计方法和反设计方法j，有时也采用两种方法的混法是非梯度优化算法，如遗传算法，模拟退火算合设计方法。直接数值优化设计方法将CFD同最法，复合形法，信赖域法，这些算法的

5、优点是通用优化方法结合起来，通过不断修正几何形状来优性强，不必求目标函数的梯度，其中前两种算法又化设计目标函数。这类方法的计算量比较大，近能得到全局最优解，但其缺点是要大量的调用流年来随着计算机技术的发展，在机翼优化设计领场计算程序，从而使计算的收敛速度变慢_1]。域得到了较快发展。反设计方法则是给定压力或与其它一些优化方法不同的是，可变误差多收稿日期：2006—12—252007年第1期李丽黄俊：机翼气动外形优化设计方法综述15面体方法允许变量在一定误差范围内不满足约束约束条件下的跨音速翼型进行了优化。这两种方条件，随着接近问题的解，使误差越来越小，

6、直到法是目前最为成熟有效的约束非线性最优化方逐渐收敛到问题的最优解。在优化过程中，可变法。在参考文献[6]中，分别采用了直接法和间接误差多面体方法只用到目标函数值和约束值，所法两种优化算法，对带约束条件的跨音速翼型进以计算量相对较小。梯度法和可变误差多面体方行了优化计算。直接法采用的是Rosenbrock-法属于确定性方法的范畴，而确定性方法的本质Powell方法，间接法采用的罚函数法。决定了确定性方法的局部优化特点，如果要使优在参考文献[7]中，在简单遗传算法中引入优化设计结果是全局最优的，那么可以采用遗传算选技术和随机复制过程，对翼型进行优化设计，

7、以法和模拟退火法等随机性方法。近年来国内外开提高优化效率，改善优化结果，这是对遗传算法的展了许多利用遗传算法进行多目标优化设计的研一种改进和发展。参考文献[9]中，把基于实数编究工作，也取得了许多有价值的设计结果。与确码的自适应遗传算法(SAGA)与可变容差法相结定性优化方法不同的是，遗传算法等随机性优化合，建立了数值优化设计中的混合遗传算法方法在处理复杂的非线性问题时具有良好的全局(HGA)，与自适应遗传算法相比，混和遗传算法的性，这是由遗传算法的本质特征和搜索特性所决优化质量略有改善，优化效率有明显的提高。优定的，所以，把遗传算法这一全局性搜索方法

8、引入化结果表明，混合遗传算法在翼型单目标和多目气动优化设计是提高优化设计结果全局性的良好标气动