近空间低速飞行器气动设计优化平台研究

论文摘要

气体流经航空器表面发生从层流到湍流的转捩,层流边界层的壁面摩擦力远低于湍流边界层。自然层流外形优化通过设计物体表面型线实现有利的压力分布来推迟流动转捩、扩展层流区,从而达到降低飞行阻力、提高飞行性能的目的。飞行实验表明,现代制造和生产工艺能够满足在实际飞行器表面实现扩展层流流动的要求。近空间低速飞行器主要工作在约20km以上高空,因飞行工况的低雷诺数、低湍流度特性而更容易实现自然层流。同时,其飞行工况相对单一、追求高升阻特性的设计特点使得相应的优化工作具有较高的实际意义。本文是对自然层流外形优化设计工作的探索,引入γ-Re（θ）转捩模式预测流动转捩,构建了基于计算机辅助设计（CAD）、计算流体力学（CFD）技术和现代优化方法的集成优化软件平台。应用这一平台,能够针对不同飞行器的气动外形设计要求,在多种现代优化算法的框架下,实现个人计算机或计算集群上的并行计算,进行自动化的几何修改、网格划分、流动计算、结果处理等分析工作,给出优化的自然层流外形设计结果。应用转捩模式的试算结果表明:γ-Re（θ）转捩模式在所关心的流动状况区间明确的反映了转捩现象,其转捩预测能力能够满足优化设计的基本需求。而针对典型平流层飞艇和高高空无人机进行的优化设计表明:不同的优化目标和约束对结果影响较大,根据设计特点和要求提出合理的优化准则具有重要意义;在合理的设计准则下,引入转捩计算得到的自然层流外形优化结果相比全湍流外形具有更好的升阻特性,更好的利用了近空间飞行的流动特点。实现稳定的自然层流,发挥近空间飞行器的优势,需要考虑更多的实际因素。但包括高空湍流特性、表面粗糙度及振动的影响等问题目前还缺乏足够的理论和实践认识,文中所给出的设计准则和优化结果还有待实际应用和检验。相应的,本文所构建的集成优化平台,能够方便的扩展应用最新发展的分析手段,融入对相关问题的深入认识,给出更为可靠和实用的优化结果,对提高近空间低速飞行器的设计水平具有参考和推动意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 近空间低速飞行器
• 1.1.1 近空间概念
• 1.1.2 高高空无人机
• 1.1.3 平流层飞艇
• 1.2 自然层流减阻技术
• 1.2.1 自然层流翼型
• 1.2.2 旋成体减阻
• 1.3 气动外形优化设计
• 1.3.1 现代航空设计手段
• 1.3.2 气动优化设计技术
• 1.4 研究方法与章节内容
• 第2章 转捩预测与转捩模式
• 2.1 转捩现象与预测
• θ转捩模式'>2.2 γ-Re_θ转捩模式
• 2.2.1 转捩触发
• 2.2.2 输运方程
• 2.2.3 与湍流模式耦合
• 2.2.4 使用要求
• 2.2.4.1 网格划分
• 2.2.4.2 湍流边界
• 2.3 平板转捩算例
• 2.3.1 实验条件
• 2.3.2 计算设置
• 2.3.3 边界设置
• 2.3.4 计算结果
• 2.4 翼型转捩算例
• 2.4.1 NLF0416翼型
• 2.4.2 计算设置
• 2.4.3 结果分析
• 2.5 旋成体转捩算例
• 2.5.1 计算设置
• 2.5.2 结果分析
• 2.6 小结
• 第3章 集成优化软件平台的构建
• 3.1 优化流程与软件实现
• 3.1.1 现代优化算法
• 3.1.2 软件集成及功能实现
• 3.2 型线定义与反算
• 3.2.1 NURBS曲线
• 3.2.2 翼型曲线参数化
• 3.2.3 翼型参数反算
• 3.2.4 旋成体曲线参数化
• 3.2.5 旋成体参数反算
• 3.3 翼型反设计实例
• 3.3.1 层流翼型压力分布
• 3.3.2 应用优化思想建模
• 3.3.3 CFD求解设置
• 3.3.4 反设计结果
• 3.4 小结
• 第4章 自然层流优化设计实例
• 4.1 平流层飞艇气动外形优化
• 4.1.1 气动设计特点
• 4.1.2 单目标优化建模
• 4.1.2.1 体积不变阻力最小
• 4.1.2.2 载荷不变阻力最小
• 4.1.3 设计结果分析
• 4.1.3.1 自然层流减阻效果
• 4.1.3.2 设计参数与转捩计算
• 4.1.3.3 目标与约束的影响
• 4.2 高高空无人机翼型优化
• 4.2.1 气动设计要求
• 4.2.2 多目标优化建模
• 4.2.3 设计结果分析
• 4.2.3.1 目标权衡与参数影响
• 4.2.3.2 设计决策与优化结果
• 4.3 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 平流层飞艇艇体外形优化流程图
• 附录B 高高空无人机翼型优化流程图
• 附录C 插图索引
• 附录D 表格索引
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果