本文關(guān)鍵詞：基于非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的離散伴隨優(yōu)化方法研究

  更多相關(guān)文章： 離散伴隨 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 氣動(dòng)外形優(yōu)化 混合伴隨

【摘要】：飛行器外形對(duì)于飛行器至關(guān)重要,外形決定了它的氣動(dòng)特性,而氣動(dòng)特性又決定了飛行器的性能。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和CFD技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合CFD技術(shù)和優(yōu)化方法,對(duì)飛行器氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。采用遺傳算法、模擬退火法等不依賴(lài)于目標(biāo)梯度的方法,在設(shè)計(jì)變量較多時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨量的計(jì)算量,導(dǎo)致優(yōu)化方法在復(fù)雜飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中難以廣泛應(yīng)用。在引入代理模型后,計(jì)算量有所減少,但是,在精細(xì)的氣動(dòng)優(yōu)化中,代理模型仍舊存在一定的近似性。伴隨優(yōu)化方法通過(guò)求解流場(chǎng)控制方程的伴隨方程來(lái)間接獲取目標(biāo)函數(shù)敏感導(dǎo)數(shù),結(jié)合優(yōu)化計(jì)算方法,完成飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化。由于伴隨方程的求解不依賴(lài)于設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù),因此,優(yōu)化迭代計(jì)算量與設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)目沒(méi)有直接關(guān)系,這是伴隨優(yōu)化最顯著的優(yōu)點(diǎn),避免了計(jì)算量巨大的問(wèn)題,為采用大規(guī)模設(shè)計(jì)變量解決復(fù)雜工程優(yōu)化問(wèn)題提供了一種可能。非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格具有較好的靈活性,沒(méi)有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)限制,可以更好的在流場(chǎng)關(guān)鍵區(qū)域靈活加密,在網(wǎng)格自適應(yīng)方面有很好的前景,采用具有層結(jié)構(gòu)的三棱柱單元分布在物面附近以模擬附面層的流動(dòng),空間網(wǎng)格可以靈活的采用四面體單元充填。本文基于非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格,基于成熟的MFlow流場(chǎng)求解器,分別研究了Euler方程、基于SA湍流模型的RANS方程、基于SST湍流模型的RANS的伴隨方程的構(gòu)建方式,采用一維搜索方法及自由形面變形技術(shù),發(fā)展了三維飛行器的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,在內(nèi)容安排上,分為如下八個(gè)章節(jié)：第一章為引言,簡(jiǎn)要介紹了優(yōu)化算法相關(guān)發(fā)展,特別是基于非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的離散伴隨優(yōu)化方法的發(fā)展,給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章為氣動(dòng)力數(shù)值模擬方法。本文的氣動(dòng)力模擬,使用成熟的MFlow流場(chǎng)求解器,由于伴隨方程和流場(chǎng)方程緊密耦合,’本章主要介紹了使用到的流場(chǎng)求解方法。第三章為伴隨方程的構(gòu)建和求解研究。開(kāi)展伴隨方程的構(gòu)建研究,包括無(wú)粘通量、粘性通量、目標(biāo)函數(shù)等對(duì)應(yīng)的雅克比矩陣推導(dǎo)求解,研究無(wú)粘通量雅克比矩陣在一階和二階不同精度條件下的差別,研究邊界單元雅克比矩陣存在的差別,并針對(duì)限制器、湍流粘性系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化策略的分析對(duì)比,提出合適的可行的簡(jiǎn)化措施,最終給出殘差對(duì)于流場(chǎng)變量的雅克比矩陣和以減阻/提高升阻比為目標(biāo)函數(shù)的雅克比矩陣;開(kāi)展LU-SGS方法在伴隨方程迭代求解中的應(yīng)用研究,基于有限體積法,研究了LU-SGS方法針對(duì)伴隨方程的前掃描和后掃描具體形式。同時(shí),將多重網(wǎng)格和并行技術(shù)應(yīng)用于伴隨方程的求解,以提高伴隨方程的求解效率,研究多重網(wǎng)格在伴隨方程中的延拓和限制算子,針對(duì)伴隨方程對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的需求,提出合適的并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和傳值方式,研究百核量級(jí)的伴隨方程的并行效率和加速比。第四章為網(wǎng)格變形和優(yōu)化方法,簡(jiǎn)要介紹了本文中使用的自由形面變形技術(shù),并描述了本文中采用的設(shè)計(jì)變量的選取方式,給出變形實(shí)例；簡(jiǎn)要的介紹一維搜索方法,給出常用的搜索判斷準(zhǔn)則和搜索方向計(jì)算方法。第五章為伴隨優(yōu)化方法的驗(yàn)證和分析,采用M6機(jī)翼,完成了伴隨優(yōu)化限制器簡(jiǎn)化策略和湍流粘性系數(shù)簡(jiǎn)化策略的驗(yàn)證計(jì)算,分別完成了Euler方程、基于SA湍流模型的RANS方程、基于SST湍流模型的RANS方程條件下的減阻優(yōu)化,比較了有無(wú)幾何約束優(yōu)化結(jié)果的差異,給出了優(yōu)化前后機(jī)翼剖面形狀和對(duì)應(yīng)壓力分布的差別對(duì)比,并對(duì)比了不同搜索準(zhǔn)則和搜索方向計(jì)算方法對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。第六章為混合伴隨方法,提出了混合伴隨求解方法,研究不同階數(shù)混合伴隨優(yōu)化計(jì)算、不同格式混合伴隨優(yōu)化計(jì)算,并以M6機(jī)翼為計(jì)算實(shí)例,對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。第七章為優(yōu)化實(shí)例,采用建立的優(yōu)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了飛翼翼型EH1590的反設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了DLR F6翼身組合體在不同湍流模型條件下的減阻優(yōu)化,以及飛翼外形飛行器升阻比優(yōu)化,并在飛翼外形的優(yōu)化過(guò)程中比較了不同階數(shù)的伴隨方程形式對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響,優(yōu)化計(jì)算狀態(tài)為各自的巡航狀態(tài),通過(guò)設(shè)計(jì)變量的控制,改變了機(jī)翼的形狀,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的自動(dòng)尋優(yōu)。最后,在結(jié)束語(yǔ)中,對(duì)已有的工作做了回顧,指出存在的不足和今后的研究方向。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V221

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 余利仁，，朱永剛;混合網(wǎng)格及其數(shù)值模型[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);1994年03期

2 王江峰;伍貽兆;;三維非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格區(qū)域分解及數(shù)據(jù)處理[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2006年04期

3 李毅;鮑勁松;金燁;胡小鋒;;有限元平面混合網(wǎng)格優(yōu)化策略[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2008年03期

4 康忠良;閆超;;適用于混合網(wǎng)格的約束最小二乘重構(gòu)方法[J];航空學(xué)報(bào);2012年09期

5 曾建江,陳文亮,翟建軍;有限元混合網(wǎng)格的壓縮(英文)[J];Journal of Southeast University(English Edition);2005年02期

6 �？�(qiáng);周磊;;大規(guī)�；旌暇W(wǎng)格的分區(qū)策略研究[J];航空計(jì)算技術(shù);2007年03期

7 張來(lái)平,張涵信;復(fù)雜無(wú)粘流場(chǎng)數(shù)值模擬的矩形/三角形混合網(wǎng)格技術(shù)[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1998年01期

8 黃豐;盧德唐;;使用混合網(wǎng)格計(jì)算非達(dá)西滲流[J];計(jì)算物理;2007年04期

9 王剛,趙俊波,葉正寅;一種隱式時(shí)間算法在非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格粘性流動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用[J];西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2004年06期

10 許曉平;朱軍;白俊強(qiáng);;多重網(wǎng)格法在混合網(wǎng)格中的應(yīng)用[J];航空計(jì)算技術(shù);2007年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張來(lái)平;楊永健;張涵信;;混合網(wǎng)格上的高分辨率數(shù)值計(jì)算方法和自適應(yīng)技術(shù)研究[A];全國(guó)流體力學(xué)青年研討會(huì)論文集[C];2001年

2 李澤禹;張來(lái)平;赫新;;基于混合網(wǎng)格的高超聲速化學(xué)非平衡流模擬方法研究[A];第七屆全國(guó)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

3 張來(lái)平;王志堅(jiān);張涵信;;基于動(dòng)態(tài)混合網(wǎng)格的隱式非定常計(jì)算方法[A];2003’全國(guó)流體力學(xué)青年研討會(huì)論文集[C];2003年

4 張來(lái)平;楊永健;張涵信;;結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格高分辨率有限體積格式[A];錢(qián)學(xué)森技術(shù)科學(xué)思想與力學(xué)論文集[C];2001年

5 許嘯;王學(xué)德;譚俊杰;;稀薄與連續(xù)流混合網(wǎng)格耦合計(jì)算方法研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

6 田保林;劉妍;申衛(wèi)東;王雙虎;江松;;多介質(zhì)整體ALE方法及其在多物質(zhì)復(fù)雜流動(dòng)模擬中的應(yīng)用[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

7 劉宏立;樊菁;沈青;;三維稀薄氣體流動(dòng)DSMC位置元新方案混合網(wǎng)格算法的驗(yàn)證[A];2003空氣動(dòng)力學(xué)前沿研究論文集[C];2003年

8 葉正寅;王剛;;非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格下的復(fù)雜外形粘性流動(dòng)計(jì)算研究[A];計(jì)算流體力學(xué)研究進(jìn)展——第十二屆全國(guó)計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2004年

9 荊江;代民果;楊國(guó)偉;;基于混合網(wǎng)格的復(fù)雜外形NS方程數(shù)值模擬[A];第十三屆全國(guó)激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

10 張來(lái)平;咼超;楊永健;張涵信;高樹(shù)椿;;用混合網(wǎng)格數(shù)值模擬機(jī)動(dòng)彈復(fù)雜流場(chǎng)[A];第十屆全國(guó)計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2000年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李彬;基于非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的離散伴隨優(yōu)化方法研究[D];中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2015年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 李澤禹;基于混合網(wǎng)格的高超聲速化學(xué)反應(yīng)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法研究[D];中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2012年

2 常興華;基于動(dòng)態(tài)混合網(wǎng)格的非定常計(jì)算方法及生物外流數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2007年

本文編號(hào)：1307322