应用Delaunay图映射与FFD技术的层流翼型气动优化设计

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1、航空学报Oct．252012VoI．33No．101817—1826ActaAeronauticaetAstronauticaSinicalSSN1000．6893CN11—1929／VhttD：∥hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaa．educn文章编号：1000一6893(2012)10一1817～10应用Delaunay图映射与FFD技术的层流翼型气动优化设计黄江涛1’2，高正红1’*，白俊强1，赵轲1，李静1，许放11．西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安7100722．中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000摘要：采用非均匀有理B样条(Nu

2、RBs)基函数属性建立了任意空间的自由式变形(FFD)翼型参数化方法，进一步结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式，通过粒子群优化(Pso)算法进行参数化方法、网格变形模式以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术之间的整合，研究、构建了气动优化设计系统，并对某型层流理念设计的高空长航时(HALE)飞机基本翼型进行气动优化设计。气动特性目标函数评估方法中，边界层转捩数值模拟技术采用y—R％转捩模型耦合剪切应力输运(SST)模式湍流模型。优化设计后翼型气动特性表明：采用相关技术建立的层流翼型气动优化设计系统对于层流理念设计的HALE飞机翼型的设计具备较高的优化效率。关

3、键词：气动外形优化设计；Delaunay图映射；FFD技术；边界层转捩；数值模拟；层流翼型中图分类号：V211．3文献标识码：A对于高空无人侦察飞机这类飞行器来说，其设计要求为高空长航时(HALE)飞行，并具备较高的气动效率，因此对气动设计提出了较高的要求。气动设计包含许多关键技术，对这些相关技术的研究具有重要意义。对于气动外形描述能力来说，参数化方法要具备合理、充足的设计空间。在飞行器初始设计阶段，合理的参数化方法能够快速地描述并设计出符合设计理念的初始翼型，同时尽可能地降低设计变量的个数和搜索空间，提高设计效率。详细设计阶段气动外形设计跨入精细化设计要求阶段，在符合设计理念的初始

4、翼型基础上进行精细化设计，此时对参数化的要求为设计空间充足。高空长航时飞行器提高气动效率的关键为层流减阻技术，通过自然层流设计、主动流动控制、混合流动控制等手段来增长飞行器表面层流段，从而实现层流减阻。因此，可靠、准确的边界层转捩计算流体力学(CFD)数值模拟技术较为重要。边界层转捩的数值模拟技术为层流气动设计理念中最关键、最重要、要求最高的技术，现有的层流转捩预测方法有：eⅣ方法、转捩经验关系式、低雷诺数湍流模型、转捩模型、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)等，而这些转捩数值模拟技术因为与现代cFD技术不相容或计算量巨大，很难应用于工程设计‘1

5、。高空长航时飞行器低阻设计是

6、提高飞机经济性最有效的手段。研究表明飞机动力装置的功率主要用于克服飞机的阻力，飞机零升阻力中，摩阻与型阻一般各为50％。当飞机布局确定后，压差阻力可降低的空间已经不多，因此摩擦阻力必然成为现代飞机下一步减阻的主要对象瞳]。层流设收稿日期：2011．11．07；退修日期：2011—12—02；录用日期：2011-12—23；网络出版时间：2011—12—2818：18网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail门1．1929．V20111228．1818．011．htmI*通讯作者．Tel：029-88495971—1E-mai

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14、amay图映射与FFD技术的层流翼型气动优化设计．航空学报。2012，33(10)：f817-1826．兢空学报Oct252012VOI33N0．10计是飞行器减阻的一个重要途径，而精确的三维数值模拟及层流转捩预测技术是

15、层流飞行器设计成功的关键。参数化外形变化后，对于数值模拟来讲，空间网格的变化必须保持高质量以及一致的空间拓扑结构，以减少网格变化带来的数值精度影响，使不同外形数值模拟结果具备可比较性；同时，对变化较大(如气动布局优化设计)的飞行器，要使得空间网格变形鲁棒性好、计算效率高，就必须研究、建立与气动外形参数化设计相适应的变形网格技术。设计过程中优化算法决定了气动优化设计中寻优效率、全局收敛性以及最终参数化模型优化设计的相关参数，从而决定优化设计外形的气动效率是否