【摘要】：氣動外形優(yōu)化設計是一門研究利用數值方法對飛行器氣動外形進行優(yōu)化以提高其氣動性能的學科,是飛行器設計中非常重要的組成部分。隨著飛行器設計要求的不斷增加以及性能目標的不斷提高,飛行器氣動外形設計方法也需要更精細更高效,因此需要對飛行器氣動外形設計的關鍵技術進行研究和創(chuàng)新,建立高效可靠的氣動優(yōu)化設計。因此,針對現有的氣動外形設計方法,從面向實際工程設計要求中存在的一些基礎問題出發(fā),本文構建了一套高效可靠通用的基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動優(yōu)化設計方法,可對定常單目標、定常多目標、非定常單目標及非定常多目標問題進行優(yōu)化求解,并利用該方法對工程優(yōu)化問題的應用進行了研究。論文的主要工作如下:1.基于定常氣動優(yōu)化設計問題的連續(xù)伴隨方程,將其推廣至非定常氣動優(yōu)化設計問題的求解中。通過算例對比了連續(xù)伴隨方程與有限差分法計算氣動函數導數的結果,展示了構建的連續(xù)伴隨方法求解梯度的可靠性和高效性。2.基于SLSQP序列二次規(guī)劃法及連續(xù)伴隨方程構建了基于連續(xù)伴隨方法的氣動外形優(yōu)化設計系統(tǒng)。在SLSQP序列二次規(guī)劃中,將有約束的非線性優(yōu)化問題在每一個迭代步上轉化為二次規(guī)劃子問題。進一步結合CFD流場求解、Hicks-Henne二維參數方法及FFD三維外形參數化方法、網格變形算法及連續(xù)伴隨方程求解梯度等模塊,構建了基于連續(xù)伴隨方法的單目標氣動外形優(yōu)化設計系統(tǒng)。3.將Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法相結合,發(fā)展了具備定常單目標、定常多目標、非定常單目標及非定常多目標優(yōu)化能力的飛行器高保真度氣動外形優(yōu)化方法。在該方法中,將Stackelberg博弈作為頂層優(yōu)化算法,使其領導者和追隨者輪流通過調整其設計變量使其目標函數達到最優(yōu)。其中每個參與者的優(yōu)化采用基于連續(xù)伴隨方法的氣動外形優(yōu)化設計系統(tǒng)。當領導者和追隨者的目標函數不同時,該算法可以用于求解多目標優(yōu)化問題,當其目標函數相同時,該算法還可以用于求解單目標優(yōu)化問題。4.考慮到在利用基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動外形優(yōu)化設計方法對氣動優(yōu)化工程問題進行求解時,往往牽涉到目標函數和設計變量的分配,每個參與者優(yōu)化過程中迭代次數的取值等問題。本文對上述參數進行了詳細研究,以優(yōu)化結果和優(yōu)化效率為指標,得到了幾個關鍵參數取值的規(guī)律:將優(yōu)先級較高的目標函數分配給領導者;在對設計變量進行分裂時,應保持每個子集的設計變量所形成的外形的幾何連續(xù)性;將對目標函數更敏感,影響更大的設計變量分配給領導者;選擇適中或偏大的參與者優(yōu)化周期來快速地獲得滿意的優(yōu)化結果。5.應用基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動外形優(yōu)化設計方法,基于關鍵參數的取值規(guī)律,開展了定常流動下的工程優(yōu)化問題的應用研究,分別對RAE2822翼型、ONERA M6機翼和CRM構型進行了定常單目標和定常多目標優(yōu)化。優(yōu)化結果表明該系統(tǒng)可以有效并高效地對定常單目標和定常多目標問題進行優(yōu)化,并展示了關鍵參數設置原則的有效性。6.基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動外形優(yōu)化設計方法開展了非定常流動下的工程優(yōu)化問題的應用研究。對NACA 64A010翼型進行了非定常單目標和非定常多目標優(yōu)化,并基于動力學模態(tài)分解對優(yōu)化前后的流場進行了更進一步的分析。展示了該優(yōu)化方法進行非定常單目標和多目標氣動外形優(yōu)化設計的有效性及高效性。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V221.3
【圖文】：

格心有限體積法將網格單元直接作為控制體，將變量存儲在網格的中心。格點逡逑有限體積法將變量存儲在網格單元的節(jié)點上，控制體由節(jié)點鄰近邊的中點和鄰近單元的中逡逑心依次相連構成（如圖２－１所示）。本文采用格點有限體積法在非結構網格上對控制方程進逡逑行空間離散。逡逑將微分形式的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程在控制體上進行面積分或體積分，通過高斯定理和積逡逑分計算方法，得到式（６－１５）的積分形式如下：逡逑ｆ邋＾§－ｄｎ＋邋ｆ邋｛Ｆｃ邋－邋Ｆｖ）－ｎｄｓ邋＝邋０邐（２－１６）逡逑Ｊｎｔ邋ｄｔ邋ＪｄＱｉ逡逑其中，戶”邋＝ｆ邋十�！玻！ι鲜竭M行半離散，得到如下形式的方程：逡逑［＾ｄｎ＋邋Ｅ（＾＇邋＋邋＾）Ａ＾＝邋／邋￣ｄｎ邋＋邋Ｒｌ｛Ｑ）邋＝邋０邐（２－１７）逡逑其中，＆及月＾分別表示邊勿邋＋的無粘通量及粘性通量的近似值，負（Ｑ）為通過該控制體的逡逑通量所組成的殘差項，Ａ表示節(jié)點ｉ所在的控制體，Ａ／■⑷表示節(jié)點ｉ周邊鄰近節(jié)點的數目，逡逑△５＾表示邊對應面的面積。逡逑２．３．１無粘通量離散逡逑采用不同的方法對控制方程中的無粘通量項進行離散，可得到不同的空間離散格式。用逡逑于有限體積離散中的無粘通量計算方法主要分為中心格式和上風格式。中心格式主要將控逡逑１８逡逑

浙江大學博士學位論文邐２流動控制方程及數值求解逡逑２）將物理量和殘差插值到粗網格得到：其中為流場解向量從細網逡逑格插值到粗網格的限制算子。逡逑３）利用粗網格上的物理量計算粗網格上的殘差ｉ？￡｝。然后計算該殘差與細網格上逡逑的殘差之差：（ｑｆ）２／１＝／ｆ邋ｆｌｒ１—丑Ｓ？。逡逑４）在粗網格上進行時間推進求解￥Ｑ２／ｌ邋＝—是（Ｑr潰澹ǎ眩疲�；e�，其中０３尸Ｚw諭平義銑討斜３植槐洹Ｍ平鱟硬膠�，得滇u滯襠系奈錮砹浚眩紓�。辶x希擔┘撲憒滯襠銜錮砹康男拚浚跡擔眩玻戾澹藉澹眩紓卞濉褰瞇拚坎逯檔較竿�，紦溷辶x銑魷竿襠銜錮砹康男輪擔藉澹跡地卞澹渲形鞒〗庀蛄康男拚看喲滯皴義喜逯檔較竿竦難由燜闋印ｅ義顯謔導什僮髦�，多众I窨梢圓恢掛恢�，可覄蚶_跡玻菜舊柚萌鼗蛘吒啵傭五義銑剎煌畝嘀贗癲唄�。根据礈格和密网格之紲Z絞降牟煌�，可以分为Ｖ型多众I義細窈停仔投嘀贗瘢郟玻保渲瀉諫檔惚硎鞠拗撲闋幼饔彌暗牡劍招腦踩Ρ硎狙渝義仙燜闋幼饔彌蟮氖奔洳健１疚腦冢茫疲募撲愎討脅捎萌兀仔投嘀贗癲唄�。辶x希彥濉澹楨澹�？逦Ｏ邋—邋E濉義

本文編號：2739166