基于改进CST参数化方法和转捩模型的翼型优化设计

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnautjcaSinjcaFeb．252015V01．36No．2449．461ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp’∥hkxb．buaaedu．cnhkxb(罾buaa．edu．cnDoI：lO．7527／S1000一6893．2014．0059基于改进CST参数化方法和转捩模型的翼型优化设计王迅，蔡晋生*，屈昆，刘传振西北工业大学航空学院，西安710072摘要：为提高翼型优化设计效率，增大设计空间，采用B样条基函数替代传统

2、的形状类别函数(CST)方法中的Bezier多项式，增强了对翼型参数化表达的局部控制能力并提高了翼型局部表达精度。为了确保翼型在优化设计过程中的几何光顺特性和代理模型的准确性，采用小波分解技术提出了多分辨率翼型的局部光顺方法。采用基于本征正交分解(POD)的流场数值代理模型，并结合y-尺％转捩模型实现了快速准确的气动力与流动转捩预测。采用小波技术光顺的CST翼型参数化建模、POD流场数值计算代理模型以及rR‰转捩模型，结合遗传算法建立了完整的翼型气动优化设计系统。针对低速层流翼型与超临界翼型进行优

3、化设计，优化设计后的翼型升阻比分别提高了47．42％和45．85％，且对改进前后参数化建模方法的优化性能进行了对比，结果表明本文构建的翼型气动优化设计系统具备很高的优化效率。关键词：翼型；气动优化设计；转捩流动；本征正交分解；小波分解；参数化中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)02一0449—13当前民用客机的研制发展对经济性、安全性的要求越来越高，必须努力降低成本，才能在市场上占有一席之地。而战斗机已由过去强调高空高速作战性能发展成为中低空高亚声速、跨声

4、速的高机动性能等。其中，改善翼型的升阻力特性一直是飞机设计追求的重要指标。基于此本文研究了翼型气动优化设计方法的几个关键要素，包括翼型的参数化建模、流场快速数值计算的代理模型和转捩预测，结合遗传算法建立了一套高效的翼型气动优化设计系统。参数化方法的特性对优化设计的寻优区间和计算效率有着深刻的影响，好的参数化方法应该有较大的寻优区间，良好的局部控制能力，较少的设计变量，同时保证优化过程中几何外形光顺特性的要求[1]。Kulfan提出的形状类别函数(ClassandShapeTransformatio

5、n，CST)方法以其出色的鲁棒性和光滑的几何描述能力等特征获得了广泛的应用[2]。其主要思想是使用由Bezier多项式构造的形函数修正类别函数以描述外形变化特征。德国国家航空航天研究院(DLR)验证了此方法在飞翼布局飞行器设计中的应用[3]，刘传振等利用此方法实现了超声速飞行器的气动布局优化设计[4]。Bezier多项式基函数的全局特性决定该方法可生成具有较高光滑性的几何外形，同时也决定该方法对局部几何特性描写能力不足的缺陷。本文提出使用B样条函数替代Bezier多项式构造形函数的改进方法以提高对

6、外形的局部描写能力，同时针对使用高阶B样条优化中可能出现的几何不光顺问题，采用小波技术对几何外形进行光顺处理。通常在飞机布局确定之后，压差阻力可降空收稿日期：2014．03—04；退修日期：2014_04-01；录用日期：2014—04-14；网络出版时间：2014—05-0112：39网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail门07527／S1000—689320140059．htmI*通讯作者Tel：029．88495381E-mail：caijsh@nwpuedu，cn融

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11、￡Jj．ActaAeronautIcaetAstrDnauticas．nica，2015。36(2)：449．46{j王迅，蔡晋生。屠匏。等．基于改进csT参彀亿方法和转捩模型的翼型佳诧设计[∞．兢空学报，2015，36《2)：449-461．航空学报Feb．252015Vol，36№．2间已经不多，因此减小摩擦阻力必然成

12、为进一步提升翼型性能的重要方式[s]。其中，层流翼型曾是减小摩擦阻力的一项重要探索[6]。这类翼型在工况使用时，上下表面通常在较长距离的层流后会发生转捩。针对此类翼型的优化设计，气动优化框架中必须有可以准确预测翼型转捩位置的计算流体力学(CFD)模块。国内曾针对此类问题作过一定研究，如邓磊等[71使用基于eN法的程序Xfoil进行层流翼型的多目标反设计，该程序可以快速准确地模拟低速自然转捩流动，但无法对考虑可压缩性的流动或者其他转捩类型(如Bypass转捩)流动进行准确模拟。黄江涛