本文關(guān)鍵詞：基于CFD的飛行器高保真度氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)在飛行器設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。與此同時(shí),現(xiàn)代飛行器氣動(dòng)外形的精細(xì)化設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)特性預(yù)測(cè)精度和設(shè)計(jì)手段提出了更高的要求。結(jié)合高精度的CFD技術(shù)和高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高飛行器空氣動(dòng)力學(xué)性能的有效手段。本文基于CFD方法,以超聲速/高超聲速流動(dòng)為主,開(kāi)展了流動(dòng)數(shù)值模擬和氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。論文主要研究?jī)?nèi)容為：1.建立了并行化的CFD模擬方法和計(jì)算程序,并對(duì)復(fù)雜高速湍流和轉(zhuǎn)捩流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法分析了計(jì)算格式等因素對(duì)湍流計(jì)算收斂性的影響,并對(duì)兩種κ-ω類(lèi)湍流模型的高速流動(dòng)預(yù)測(cè)性能進(jìn)行了評(píng)估�；讦�-Reθt轉(zhuǎn)捩模型,提出了簡(jiǎn)化的γ-SST轉(zhuǎn)捩模型。新的轉(zhuǎn)捩模型可以得到與γ-Reθt模型相差不大的計(jì)算結(jié)果,且其形式更為簡(jiǎn)潔,計(jì)算量更小。此外,對(duì)γ-Reθt模型進(jìn)行了高速流動(dòng)情況下的壓縮性修正研究。2.發(fā)展了吳備單目標(biāo)／多目標(biāo)和局部／全局優(yōu)化能力的飛行器高保真度氣動(dòng)外形優(yōu)化方法和流程。發(fā)展了適用于飛行器外形優(yōu)化的參數(shù)化建模與網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)。研究并改進(jìn)了粒子群和量子粒子群優(yōu)化算法,提高了算法的收斂速度和全局尋優(yōu)能力。改進(jìn)了徑向基函數(shù)代理模型,并發(fā)展了基于代理模型技術(shù)的全局優(yōu)化流程,提高了基于CFD的高保真度優(yōu)化效率。3.基于本文發(fā)展的優(yōu)化方法開(kāi)展了典型飛行器氣動(dòng)優(yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用研究。優(yōu)化結(jié)果表明,局部?jī)?yōu)化方法具有優(yōu)異的收斂性,可以快速得到設(shè)計(jì)空間內(nèi)的局部最優(yōu)值；基于代理模型的氣動(dòng)優(yōu)化流程在提供高保真度氣動(dòng)特性獲取手段的同時(shí),可大幅降低計(jì)算耗時(shí),從而提高優(yōu)化效率。所研究的多個(gè)優(yōu)化案例均取得了較好的效果,驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性和實(shí)用性。4.開(kāi)展了飛行器氣動(dòng)特性不確定性和靈敏度分析研究,并初步進(jìn)行了氣動(dòng)外形的穩(wěn)健優(yōu)化。采用多項(xiàng)式混沌展開(kāi)法開(kāi)展了氣動(dòng)特性的不確定性和全局靈敏度分析,量化了不確定性因素對(duì)氣動(dòng)特性波動(dòng)的貢獻(xiàn)程度。結(jié)合響應(yīng)面代理模型和不確定性分析方法,發(fā)展了高效的氣動(dòng)外形穩(wěn)健優(yōu)化流程。針對(duì)超臨界翼型的優(yōu)化表明,相比于初始外形和確定性?xún)?yōu)化后的外形,穩(wěn)健優(yōu)化后的翼型阻力顯著下降,且具有更優(yōu)的阻力發(fā)散特性。
【關(guān)鍵詞】：高超聲速飛行器 計(jì)算流體力學(xué) 邊界層轉(zhuǎn)捩 代理模型 優(yōu)化算法 氣動(dòng)外形優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V221.3
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-20
• 第1章 緒論20-37
• 1.1 研究背景及意義20-22
• 1.2 氣動(dòng)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展22-33
• 1.2.1 參數(shù)化建模與網(wǎng)格生成技術(shù)22-24
• 1.2.2 CFD數(shù)值模擬方法24-31
• 1.2.3 優(yōu)化算法與代理模型技術(shù)31-33
• 1.3 高保真度氣動(dòng)優(yōu)化研究進(jìn)展33-34
• 1.4 論文研究目的與章節(jié)安排34-37
• 第2章 復(fù)雜流動(dòng)的CFD模擬方法37-93
• 2.1 量熱完全氣體流動(dòng)控制方程37-39
• 2.2 湍流與轉(zhuǎn)捩模型39-46
• 2.2.1 k-ω TNT模型40-41
• 2.2.2 k-ω SST模型41-42
• 2.2.3 γ-Reθt轉(zhuǎn)捩模型42-45
• 2.2.4 簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)捩模型45-46
• 2.3 高溫?zé)峄瘜W(xué)非平衡流動(dòng)46-52
• 2.3.1 流動(dòng)控制方程47-48
• 2.3.2 化學(xué)反應(yīng)模型48-49
• 2.3.3 熱力學(xué)關(guān)系式49-51
• 2.3.4 混合氣體輸運(yùn)系數(shù)51-52
• 2.4 數(shù)值計(jì)算方法52-68
• 2.4.1 控制方程的離散52-53
• 2.4.2 通量計(jì)算方法53-55
• 2.4.3 MUSCL插值方法55-57
• 2.4.4 LU-SGS時(shí)間推進(jìn)方法57-61
• 2.4.5 當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)61-62
• 2.4.6 初始和邊界條件62-64
• 2.4.7 并行計(jì)算64
• 2.4.8 算例驗(yàn)證64-68
• 2.5 高超聲速湍流計(jì)算的收斂特性68-75
• 2.5.1 計(jì)算格式的影響69-70
• 2.5.2 限制器的影響70-71
• 2.5.3 湍流時(shí)間步長(zhǎng)的影響71-72
• 2.5.4 湍流量限制的影響72-73
• 2.5.5 CFL數(shù)的影響73
• 2.5.6 LU-SGS內(nèi)迭代次數(shù)的影響73-74
• 2.5.7 不同湍流模型的收斂性差異74-75
• 2.6 高速湍流流動(dòng)數(shù)值模擬75-80
• 2.6.1 高超聲速二維壓縮拐角75-77
• 2.6.2 高超聲速三維錐柱裙77
• 2.6.3 非對(duì)稱(chēng)激波/邊界層干擾77-80
• 2.7 基于簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)捩模型的轉(zhuǎn)捩流動(dòng)數(shù)值模擬80-86
• 2.7.1 零壓力梯度平板80
• 2.7.2 Aerospatial-A翼型80-82
• 2.7.3 S809翼型82-83
• 2.7.4 高超聲速平板83-84
• 2.7.5 高超聲速雙楔84-86
• 2.8 高速流動(dòng)下的轉(zhuǎn)捩模型壓縮性修正86-91
• 2.8.1 高超聲速平板88-89
• 2.8.2 高超聲速雙楔89-90
• 2.8.3 高超聲速圓錐90-91
• 2.9 本章小結(jié)91-93
• 第3章 高保真度氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法93-124
• 3.1 參數(shù)化建模方法93-96
• 3.1.1 二次曲線(xiàn)法93-95
• 3.1.2 自由變形法95-96
• 3.2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成方法96-98
• 3.2.1 基于偏微分方程方法的網(wǎng)格自動(dòng)生成96-97
• 3.2.2 基于無(wú)限插值方法的動(dòng)網(wǎng)格生成97-98
• 3.3 參數(shù)化建模與網(wǎng)格生成實(shí)例98-103
• 3.3.1 類(lèi)HTV-2升力體98-102
• 3.3.2 RAE2822翼型102
• 3.3.3 NACA64A010機(jī)翼102-103
• 3.3.4 類(lèi)X-33升力體103
• 3.4 局部?jī)?yōu)化算法103-105
• 3.5 全局優(yōu)化算法105-116
• 3.5.1 遺傳算法105-106
• 3.5.2 粒子群優(yōu)化算法及其改進(jìn)106-112
• 3.5.3 量子粒子群優(yōu)化算法及其改進(jìn)112-116
• 3.6 代理模型技術(shù)116-122
• 3.6.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)117
• 3.6.2 響應(yīng)面代理模型117-118
• 3.6.3 徑向基函數(shù)代理模型118-119
• 3.6.4 基于空間變化形狀參數(shù)的徑向基函數(shù)代理模型119
• 3.6.5 代理模型精度評(píng)估119-122
• 3.6.6 基于代理模型的氣動(dòng)優(yōu)化流程122
• 3.7 本章小結(jié)122-124
• 第4章 典型飛行器外形的氣動(dòng)優(yōu)化124-155
• 4.1 基于局部?jī)?yōu)化算法的氣動(dòng)外形優(yōu)化124-132
• 4.1.1 自然層流翼型124-125
• 4.1.2 高速翼型125-127
• 4.1.3 鈍錐外形127-129
• 4.1.4 后體/尾噴管129-132
• 4.2 基于全局優(yōu)化算法的氣動(dòng)外形優(yōu)化132-154
• 4.2.1 高超聲速再入飛行器多目標(biāo)優(yōu)化132-137
• 4.2.2 基于IRBF代理模型的氣動(dòng)優(yōu)化137-142
• 4.2.3 考慮高溫氣體效應(yīng)的氣動(dòng)優(yōu)化142-144
• 4.2.4 高超聲速升力體氣動(dòng)力優(yōu)化144-148
• 4.2.5 基于轉(zhuǎn)捩模型的升力體氣動(dòng)熱優(yōu)化148-154
• 4.3 本章小結(jié)154-155
• 第5章 氣動(dòng)特性不確定性分析與穩(wěn)健優(yōu)化方法155-173
• 5.1 不確定性與靈敏度分析方法155-162
• 5.1.1 不確定性分析方法155-158
• 5.1.2 靈敏度分析方法158-159
• 5.1.3 函數(shù)測(cè)試159-162
• 5.2 典型外形的氣動(dòng)特性不確定性和靈敏度分析162-169
• 5.2.1 超臨界翼型162-164
• 5.2.2 高速菱形翼型164-166
• 5.2.3 高超聲速平板166-167
• 5.2.4 高超聲速升力體167-169
• 5.3 超臨界翼型穩(wěn)健優(yōu)化169-172
• 5.4 本章小結(jié)172-173
• 第6章 總結(jié)與展望173-177
• 6.1 論文主要結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)173-175
• 6.2 后續(xù)工作展望175-177
• 參考文獻(xiàn)177-190
• 攻讀博士學(xué)位期間主要的研究成果190-192
• 附錄：空氣化學(xué)反應(yīng)模型和組分常數(shù)表192-194

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1 孫金標(biāo)，，劉千剛;飛機(jī)氣動(dòng)外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);1995年01期

2 詹浩;許曉平;朱軍;;氣動(dòng)外形多點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J];航空計(jì)算技術(shù);2007年01期

3 王唯;陳志華;;基于參數(shù)樣條的旋成體局部氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào);2011年03期

4 胡圣遠(yuǎn),苗瑞生,吳甲生;無(wú)控火箭彈氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];彈道學(xué)報(bào);1992年04期

5 關(guān)鍵;田書(shū)玲;;基于FFD的氣動(dòng)外形參數(shù)化方法[J];江蘇航空;2010年S2期

6 粟華;龔春林;谷良賢;;基于三維CST建模方法的兩層氣動(dòng)外形優(yōu)化策略[J];固體火箭技術(shù);2014年01期

7 王向軍;于雅楠;;基于頻閃成像技術(shù)的MAV氣動(dòng)外形三維視覺(jué)測(cè)試(英文)[J];納米技術(shù)與精密工程;2011年06期

8 呂勝濤;劉榮忠;郭銳;胡志鵬;;S-S雙翼末敏彈氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];兵工學(xué)報(bào);2013年09期

9 張宏;余雄慶;;高速航空拖靶的總體方案和氣動(dòng)外形優(yōu)化[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2008年04期

10 劉傳振;段焰輝;蔡晉生;;氣動(dòng)外形優(yōu)化中的分塊類(lèi)別形狀函數(shù)法研究[J];宇航學(xué)報(bào);2014年02期

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1 高正紅;;氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究與存在問(wèn)題[A];大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2007年

2 蘇偉;董超;陳剛;李曉軒;張立坤;;飛行器氣動(dòng)外形數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及應(yīng)用[A];北京力學(xué)會(huì)第19屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

3 張青青;張衛(wèi)民;;自由變形技術(shù)在氣動(dòng)外形參數(shù)化上的應(yīng)用研究[A];北京力學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2012年

4 郭輝;張錦南;李海濤;;60kW水流發(fā)電葉片研制[A];第十九屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

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1 王丹;飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

2 夏陳超;基于CFD的飛行器高保真度氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[D];浙江大學(xué);2016年

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1 何烈堂;MAV氣動(dòng)外形形變性能研究[D];中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2002年

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4 叢延;智能可變外形導(dǎo)彈的氣動(dòng)外形總體設(shè)計(jì)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：1116057