锥导乘波构型的设计、优化及数值模拟

论文摘要

乘波构型因其较大的升阻比性能被视为高超声速飞行器的理想气动外形。本文首次将上表面膨胀角作为优化设计参数之一,对乘波构型进行了综合优化,在进一步改善乘波构型性能方面做了一些有益的尝试。本文主要对长度为60m,设计马赫数为6,在30km高空做巡航状态飞行的乘波构型进行了优化设计。乘波构型的源流场选用常用的锥形流场,前缘曲线在底面的投影用一个四次函数来描述,流线追踪生成下表面,对上表面进行局部等熵膨胀设计。优化设计参数主要有五个:激波角β,半展角φ,膨胀角α,长宽比σ和系数b。首先根据上述理论编写了乘波构型的设计程序,然后对各设计参数对乘波构型性能的影响进行了分析,得出了一些有用的结论,为进一步的优化打下了基础。其次对设计参数以乘波构型获得最大升阻比为目标函数进行了优化。优化方法选用复合形法,该方法对有约束的优化问题相当有效。为增强乘波构型的实用性,本文引入了一系列约束条件,如升力与重力的匹配、构型的容积高度等。优化时考虑了粘性影响,并且五个设计参数是同时进行的优化。文中对比优化出两组乘波构型,结果表明膨胀角可有效提高构型升阻比。最后对带有膨胀角并考虑了升/重力匹配的一个优化构型进行了三维数值模拟。模拟结果表明用本文方法优化设计出的乘波构型在设计状态和不同飞行攻角下均具有良好的气动特性,非常适合用作高超声速飞行器,尤其是巡航飞行器的气动外形。本文工作对进一步研究乘波构型的实用性能有一定借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 本文的工作
• 第2章 乘波构型的设计
• 2.1 设计思想
• 2.2 锥形流场的求解
• 2.3 设计步骤
• 2.3.1 前缘曲线的确定
• 2.3.2 流线追踪生成下表面
• 2.3.3 上表面设计
• 2.4 数值计算
• 2.5 气动参数计算
• 2.6 设计方法验证
• 2.7 设计参数分析
• 2.8 转捩的影响
• 2.9 本章小结
• 第3章 构型优化
• 3.1 复合形法
• 3.1.1 随机数的产生
• 3.1.2 初始复合形的构成
• 3.1.3 复合形法的搜索方向
• 3.1.4 复合形法的计算步骤
• 3.2 优化处理
• 3.2.1 约束条件
• 3.2.2 目标函数
• 3.2.3 优化变量
• 3.3 优化结果
• 3.3.1 不考虑重力
• 3.3.2 考虑重力
• 3.3.4 考虑转捩
• 3.4 本章小结
• 第4章 数值模拟方法及验证
• 4.1 数值方法
• 4.1.1 本文几点假设
• 4.1.2 控制方程及离散格式
• 4.1.3 湍流模型
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 算例验证
• 4.2.1 网格划分
• 4.5.2 计算条件
• 4.5.3 无粘计算结果
• 4.5.4 粘性计算结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 改良乘波构型特性分析
• 5.1 改良锥导乘波构型
• 5.2 钝化
• 5.3 网格划分
• 5.4 设计点性能
• 5.4.1 气动性能
• 5.4.2 流场性能
• 5.4.3 流动特征
• 5.5 非设计点性能
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果
• 致谢