高速飞行器气动光学流场机理研究与光学窗口设计

论文摘要

携带光学设备的飞行器在高速飞行时,其光学头罩周围流场内的复杂结构会引起目标图像的偏移、抖动和模糊,这些被称为气动光学效应（Aero-Optical Effect）。气动光学效应严重影响了机载光学设备对目标特征的识别和对目标轨道的判断,从而无法捕捉和跟踪目标。为了减小气动光学效应的不利影响,需要从机理上认识流场结构对气动光学性能的影响规律。论文以高速飞行器气动外形一体化设计为出发点,以高速飞行器光学窗口为研究对象,提出适用于高速流场气动光学研究的数值模拟方法,建立高速流场气动光学性能评价方法,以此为基础完成对流场气动光学性能的机理分析,实现了高速飞行器光学窗口外形初步设计。本文的主要工作有:针对高速流场气动光学研究数值模拟方法的不足,基于传统雷诺平均/直接模拟蒙特卡罗（RANS/DSMC）混合算法,提出了适用于高速流场气动光学研究的数值模拟方法。该方法适用于飞行空域大的高速飞行器,并能满足高速流场的气动光学研究中对流场脉动信息的需求。基于气动外形一体化设计的思想,从流场的角度出发,提出评估高速流场气动光学性能的评价方法。推导出能表征流场中各点气动光学性能的偏折因子,通过统计学方法完成对流场整体的气动光学性能量化评价。该评价方法能揭示流场结构与气动光学性能之间的联系,通过流场参数直接计算流场的气动光学性能,为高速飞行器气动外形一体化设计中考虑气动光学因素提供便利。完成高速流场的气动光学机理研究。通过试验与数值模拟的方法对流场气动光学特性进行分析,获得了时均与脉动流场中特征结构对气动光学性能的影响规律:时均流场引起的气动光学效应远远高于脉动流场;时均流场的气动光学效应主要发生在激波与边界层附近区域;脉动流场的气动光学效应主要发生在边界层内;增大飞行器攻角,减小马赫数,可以改善其绕流流场的整体气动光学性能。完成窗口外形参数对窗口视野区域气动光学性能影响的分析。通过试验设计与参数化建模的方法构建模型样本集,对各样本的气动光学性能进行评估,初步归纳出窗口外形参数对气动光学性能的影响规律,为光学窗口的设计打下了基础。完成高速飞行器光学窗口的初步设计。以气动光学性能最大化为目标,利用Kriging近似模型与遗传优化方法,实现对光学窗口五个外形参数的设计。通过两轮设计,最终获得的设计方案在气动光学性能指标上较基准模型提高了15.97%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图目录
• 插表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气动光学效应
• 1.2.1 气动光学效应的表现
• 1.2.2 气动光学效应的产生
• 1.3 气动光学研究现状
• 1.3.1 气动光学研究的发展阶段
• 1.3.2 气动光学研究的方法
• 1.3.3 国内气动光学研究现状
• 1.3.4 主要困难与发展趋势
• 1.4 论文的主要工作
• 1.4.1 论文的总体研究思想
• 1.4.2 论文的创新点
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第二章 高速流场气动光学数值模拟方法研究
• 2.1 混合算法概述
• 2.1.1 混合算法的理论基础
• 2.1.2 传统混合算法的发展
• 2.1.3 传统混合算法的流程
• 2.2 适用于高速流场气动光学数值模拟的混合算法
• 2.2.1 RADAO 算法的特点
• 2.2.2 RADAO 算法的基本方程
• 2.2.3 RADAO 算法的数值计算方法
• 2.2.4 RADAO 算法的边界条件
• 2.3 RADAO 算法的验证
• 2.3.1 边界匹配性校验
• 2.3.2 时均流场结构校验
• 2.3.3 脉动流场结果校验
• 2.3.4 计算效率对比
• 2.4 本章小结
• 第三章 高速流场气动光学评价方法研究
• 3.1 传统气动光学评价方法概述
• 3.2 高速流场气动光学评价方法
• 3.2.1 评价原则
• 3.2.2 基本假设
• 3.2.3 偏折因子
• 3.2.4 流场离散化
• 3.2.5 流场的气动光学评价指标
• 3.3 评价方法的应用
• 3.3.1 模型与工况
• 3.3.2 偏折因子分析
• 3.3.3 综合评价指标分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高速流场气动光学机理分析
• 4.1 流场整体结构的试验研究
• 4.1.1 试验原理与设备
• 4.1.2 模型与工况
• 4.1.3 试验结果校验
• 4.1.4 流场结构
• 4.2 尖劈凹窗的机理分析
• 4.2.1 尖劈凹窗流场结构
• 4.2.2 时均流场结果
• 4.2.3 脉动流场结果
• 4.3 双锥凹窗的机理分析
• 4.3.1 双锥凹窗流场结构
• 4.3.2 时均流场结果
• 4.3.3 脉动流场结果
• 4.4 攻角与马赫数的影响
• 4.4.1 攻角的影响
• 4.4.2 马赫数的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 窗口外形参数的气动光学性能分析
• 5.1 试验设计概述
• 5.1.1 均匀试验设计
• 5.1.2 拉丁超立方试验设计
• 5.2 模型参数化与设计域
• 5.3 单因素分析
• 5.3.1 试验设计表与适应值
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 多因素分析
• 5.4.1 试验设计
• 5.4.2 凹窗单个外形参数分析
• 5.4.3 凹窗多个外形参数耦合分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 高速飞行器光学窗口设计
• 6.1 高速飞行器光学窗口设计问题的提出
• 6.2 优化设计概述
• 6.3 优化方法与近似模型
• 6.3.1 优化方法概述
• 6.3.2 遗传算法的实现
• 6.3.3 近似模型概述
• 6.3.4 Kriging 模型的实现
• 6.4 高速飞行器光学窗口设计的实施
• 6.4.1 设计策略
• 6.4.2 设计流程
• 6.4.3 设计结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 试验模型设计图（附录1）
• CATIA 参数化建模脚本（附录2）
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文