吸气式高超声速飞行器后体尾喷管优化设计

论文摘要

本文针对吸气式高超声速飞行器后体单壁膨胀式尾喷管开展了优化设计研究。首先在学习掌握遗传算法的基础上,实现了基于非支配排序的多目标优化遗传算法NSGA-II,完成程序的自适应改进;通过对经典多目标优化问题的计算比较,证实了程序的多目标优化能力。然后,利用二维网格自动生成程序和PNS流场解算器,建立了针对二维单壁式膨胀尾喷管优化问题的设计优化流程,开展了单目标和多目标的优化设计;优化设计结果表明,本文建立的优化算法具有与商业软件相当的优化能力。最后,通过对二维单壁膨胀式尾喷管多种曲线参数化描述的设计方法研究,开展了四组共十二种设计方案的优化,获得的优化方案在推力单目标、升力-推力双目标、升力-推力-力矩三目标性能上都表现良好,其中,针对推力优化的方案较之文献的优化结果有约6%的推力提高。本文发展建立的优化算法和程序,为深入开展吸气式高超声速飞行器后体尾喷管的多目标优化设计研究提供了有力工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 飞行器气动优化设计方法
• 1.3 吸气式高超声速飞行器后体尾喷管优化设计的研究进展
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 遗传算法
• 2.1 遗传算法概述
• 2.2 遗传算法的一般架构
• 2.3 遗传算法的基本构成要素
• 2.3.1 染色体编码方法
• 2.3.2 个体适应度评价及适应度函数的变换条件
• 2.3.3 遗传操作和遗传算子
• 2.3.4 运行参数
• 2.4 本章小结
• 第三章 多目标优化遗传算法NSGA-II
• 3.1 多目标优化概述
• 3.1.1 多目标优化的基本概念
• 3.1.2 多目标优化的基本求解方法
• 3.2 遗传算法求解多目标问题
• 3.2.1 遗传搜索的优势
• 3.2.2 遗传算法处理多目标优化问题
• 3.3 多目标优化算法NSGA-II
• 3.3.1 快速非支配排序
• 3.3.2 保持种群多样性
• 3.3.3 主循环
• 3.4 NSGA-II 的实现和验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 尾喷管自动优化流程设计
• 4.1 自动优化设计
• 4.1.1 二维单壁膨胀式尾喷管设计优化问题描述
• 4.1.2 自动优化的辅助设计工具
• 4.1.3 优化流程
• 4.2 超声速流场的区域推进求解技术
• 4.2.1 流动的时间迭代求解
• 4.2.2 超声速流动的空间推进求解方法
• 4.3 尾喷管流场自动解算
• 4.3.1 计算对象与方法
• 4.3.2 尾喷管流场计算网格的自动生成
• 4.4 尾喷管自动优化设计验证
• 4.4.1 验证喷管问题描述
• 4.4.2 原始喷管的力学性能
• 4.4.3 单目标优化结果验证分析
• 4.4.4 双目标优化结果验证分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 多方案尾喷管自动优化设计
• 5.1 优化问题描述
• 5.2 采用多项式描述上壁面的喷管优化设计
• 5.2.1 尾喷管参数化描述
• 5.2.2 尾喷管优化设计问题描述
• 5.2.3 近似模型优化设计
• 5.2.4 优化结果及优化特性探讨与分析
• 5.3 RAO’S 喷管工程方法描述上壁面的喷管优化设计
• 5.3.1 尾喷管参数化描述
• 5.3.2 尾喷管优化设计问题描述
• 5.3.3 优化结果及优化特性探讨与分析
• 5.3.4 选优喷管特性分析
• 5.4 三次B 样条曲线描述上壁面的喷管优化设计
• 5.4.1 尾喷管参数化描述
• 5.4.2 尾喷管优化设计问题描述
• 5.4.3 优化结果及优化特性探讨与分析
• 5.4.4 选优喷管特性分析
• 5.5 三次SPLINE 样条曲线描述上壁面的喷管优化设计
• 5.5.1 尾喷管参数化描述
• 5.5.2 尾喷管优化设计问题描述
• 5.5.3 优化结果及优化特性探讨与分析
• 5.5.4 选优喷管特性分析
• 5.6 喷管优化设计分析与讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要研究内容
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 RAO’S 最大推力喷管工程加工方法