基于Kriging模型的高超声速舵面优化设计

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1、第42卷第2期2012年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．2Mar．2012基于Kriging模型的高超声速舵面优化设计孙凯军，宋文萍，韩忠华(西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：采用RANS方程进行了高超声速舵面的气动特性计算与平面形状优化设计研究。为了提高优化效率，采用拉丁超立方抽样试验设计方法得到样本点，并建立Krigi,lg模型替代费时的流动数值模拟。以最大化舵面操纵力矩和最小化平面面积为目标，以阻力不增为约束条件，进行了舵面平面形状优化设计。优化结果表明，优化舵面的平面面积减

2、少了4．78％，力矩绝对值在设计点增加了24．69％，且在较大的攻角范围均有提高。将初始舵面和优化舵面分别装配到方形截面导弹上，验证计算表明，优化舵面的操纵效率更高。关键词：高超声速飞行器；舵面效率；KrisiIlg模型；优化设计；NS方程中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)02—0009—04OptimizationDesignofHypersonicControlSurfaceBasedonKrigingModelSUNKai-jan，SONGWen-ping，HANZhong—hua(NationalKeyLaboratoryofScienc

3、eandTechnologyOnAerodynamicOesignandResearch，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’art710072，China)Abstract：BasedonRANSsolver，anoptimizationmethodusingKrigingsurrogatemodelfordesigningthehypersoniccontrolsurfaceplanformisdeveloped．Theoptimizationisaccomplishedwiththedragbeingnotincreasedasacons

4、traintandwiththemaximumoftheabsolutemomentandtheminimizationoftheplanformareaasanobjectivefunction．Theresultsshowthat，comparedwiththebaselinecontrolsurface，theabsolutemomentisincreasedby24．69％，andtheplanformareaisreducedby4．78％．Besides，theabsolutemomentishigherthanthatofthebaselinecontrolsurface

5、atdifferentanglesofattack．Withthebaselineandoptimalcontrolsurfacesbeingfittedtothebodyofasquarecross·-sectionmissilerespective·-ly，thehighercontrolefficiencyofoptimalcontrolsurfaceisachieved．Keywords：hypersonicvehicle；controlSuI'faceefficiency；Krigingmodel；aerodynamicoptimizationde-sign；NSequati

6、ons引言高超声速导弹是一种飞行马赫数高于5的飞行器，其具有飞行高度高、速度快、侧向机动性能好等优点，能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或上万km外的各类军事目标。高超声速导弹潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域，成为21世纪世界航空航天事业发展的一个重要方向。舵面平面形状影响高超声速导弹的气动力／气动热特性、机动能力和操纵特性，因此，翼面／舵面平面形状是高超声速导弹气动设计的关键问题之一。目前，国内外对亚、跨声速导弹翼面／舵面气动特性方面研究比较多¨以J，但是，对于高超声速导弹翼面／舵面的气动特性，国内外的研究却很少【3J。本文利用Krig

7、ing模型替代费时的RANS方程数值模拟，以舵面平面形状参数为设计变量进行舵面的多目标优化设计，并将设计结果应用于方形截面导弹上，进一步说明优化方法的有效性。l控制方程和数值方法积分形式的三维雷诺平均NS方程可以写成如下守恒形式：言胆dy+务(E以)‘刀dS=0(1)式(1)中，Q=(P，pu，pv，pw，joe)1为守恒变量；OV为某收稿日期：201l—12一05修订日期：2012-03一03基金项目：国家自然科学基金项目资助(1090208