超声速翼型气动优化设计.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaDec252015Vol36No．123774．3784ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．crl超声速翼型气动优化设计曹长强1，蔡晋生1’*，段焰辉21．西北工业大学航空学院，西安7100722．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所，绵阳621000摘要：首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法，对于相对厚度为3．5％的多边形翼型

2、进行优化设计，多边形翼型的优化外形趋于四边形，最大厚度点后移到翼型弦线的60％左右，随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄，上翼面变厚，最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4％的双圆弧翼型，采用两步优化设计方法，第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法，实现几何外形的局部控制与光顺处理，并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量；第2步优化采用基于Navier—Stokes方程的最速下降法(SDA)，修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差；优化设计得到的翼型近似为四边形，其相对厚度最大点后

3、移到翼型弦线的60％～65％处，升阻比可以提高7％。关键词：超声速翼型；优化设计；代理模型；参数化；小波分解中图分类号：V211．4i+2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)12—3774—11当前，面对商业与军事方面广阔的应用前景，各种超声速和高超声速飞行器得到了广泛、细致的研究E1

4、。亚声速运输机升阻比可以达到15以上，而对于超声速飞行器，由于激波的形成导致阻力大大增加[2]，飞行器的升阻比会大幅度地降低。高升阻比也是超声速／高超声速飞行器设计追求的一个重要指标[3]，对于采用翼身融合布局的超声速／高超声速飞行器，选取合理的翼剖面形

5、状成为提高超声速／高超声速飞行器气动特性的一个重要方面。然而，研究超声速／高超声速翼型的气动特性及其优化设计方面的文献比较少，通常采用的超声速／高超声速翼型是简单的平板、菱形或双弧形¨j。传统气动设计将CFD数值模拟与优化方法相结合，需要进行大量的数值计算，且只停留在无黏流场计算上，文献[5—6]即为求解Euler方程进行气动设计。为了加入黏性影响并提高计算的效率，一种思路是通过快速工程方法计算流场，文献[7—8]发展了一套完整的高超声速气动力快速计算方法，并与数值模拟结果或实验进行了验证。高清等验证了此方法在超声速／高超声速带进气道飞行器气动力快速计算

6、中具有较高的精度[9]，刘传振等运用此方法实现了高超声速飞行器的气动优化设计，达到了较好的效果[10I。另一种思路是通过代理模型的方法，基于本征正交分解(ProperOrthogonalDecomposition，POD)[11-12]的流场计算代理模型将得到的采样解流场分解成一组正交基，这些基包含了设计空间内流场的绝大部分信息，通过Everson和Sirovich[”3提出的GappyPOD方法重构流场。这种方法在亚声速收稿日期：2015—02．06；退修日期：2015—03-09；录用日期：2015—05—04；网络出版时间：2015—05·0610

7、：02网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V20150506．1002．001html*通讯作者Tel．：029—88495381E-mail：caijsh@nwpueducn戳壤格式；CaoCQ，CaiJS，DuanYH．AerodynamicdesignoptimizationofsupersonicairfoI

8、s￡Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSini．ca，2015，36(12)：3774—3784营长强，蔡晋生，段焰辉超声速翼型气动优化设计i正航空学扳。2015．36(12

9、)：3774．3784曹长强等：超声速翼型气动优化设计和跨声速翼型优化设计和反设计中得到了广泛的应用[1}17]，极大地缩短了计算周期。对于复杂的翼型外形，还要选择合理的参数化方法[18

10、，Kulfan等提出的类别形状函数变换(ClassandShapeTransformation，CST)方法，以其良好的可控性和表达精度等优点，得到了广泛的应用，文献[19—22]详细介绍了CST方法并给出了表示形状函数的Bernstein多项式阶数的经验取值范围。针对原始CST方法局部控制能力弱、高阶出现病态的弊端，可以使用B—spline的形状函数进行改进口3I，但

11、同时带来了翼型光顺性的问题。为此，本文将多分辨率小波分解思想口41引入参数化方法