全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法技术

技术编号:15792164 阅读:162 留言:0更新日期:2017-07-09 23:35
本发明专利技术提供了一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其包括以下步骤:S

【技术实现步骤摘要】
全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法
本专利技术涉及涡扇发动机气动噪声控制领域,特别涉及一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法。
技术介绍
在飞机领域中,飞机噪声问题对持续增长的航空运输业提出一个重要的问题。其噪声级的大小直接关系到飞机适航签证的获取。这对于我国正在研制的民用客机来说,无疑是巨大的挑战。作为飞机噪声的主要声源之一的发动机噪声,其噪声形式(指向性、辐射声功率大小)已经发生很大改变。传统低涵道比发动机排出的气流速度很高,喷流和激波噪声是主要的噪声源。如今,为了追求高效率,民用涡扇发动机的涵道比越做越大,甚至于超出10,其排出气流速度下降很多。相对于压气机,喷流和涡轮噪声,短舱内的风扇噪声变成了现代高涵道比发动机的主要噪声来源。另外,对于现代民用飞机,风扇噪声是在飞机盘旋和侧飞时的主要噪声来源。在发动机短舱降噪优化中的传统方法通常只能考虑一至两个很少的设计变量,且大都基于简单的一个或者两个的设计变量。这种方法的设计空间太小,由此得到的优化外形变形太小且不够光滑,不能很好地表达几何外形的各种可能存在的情况。这些优化工作通常采用搜索效率低的常规优化方法。然而,对于实际工程问题而言,所涉及的设计变量通常较多。当前民用客机的研制发展对噪声、经济性、安全性、航程要求越来越高。目前飞行器的设计已经开始从传统单学科间多轮迭代向多学科综合设计发展,此时,发动机短舱的设计问题是一个多目标、多约束的问题。在多点设计和多学科优化设计问题中,发动机短舱设计参数不但包含有外形参数,还包含气动性能参数(升力系数、阻力系数及升阻比等),因而涡扇发动机短舱风扇噪声的减噪优化问题包含大量的设计参数。由于设计变量较多,且非定常的短舱风扇噪声单个计算开销较大,整个减噪优化计算工作量将十分巨大。在现有优化方法和计算条件下,这是难以实现的。对此,人们提出了许多解决复杂优化问题的方法。例如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法和蚁群算法等等。与传统的基于梯度的优化方法相比,上述这些算法具有很好的鲁棒性、全局性和高度并行性等特点。在多峰值的非线性函数优化问题中得到了成功的应用。但是,这些算法的最大缺点是收敛速度慢。为了克服全局优化算法的这个缺点,人们采用了一种称为代理模型(surrogatemodel)的方法来代替耗时的精确模型评估。这种代理模型的计算量比精确模型小得多,同时精度也可以得到保证,采用代理模型可以大大减少优化过程的计算量。1988年Jameson提出的伴随方法有着其他优化方法无可比拟的优势。它是一种基于梯度的优化方法,该方法以偏微分方程所定义的系统的优化控制的数学理论为基础,把物体的边界形状作为控制方程,流动的控制方程作为系统的约束条件,而设计目标则通过目标函数来表达。因此,设计问题转化成了一个寻找满足约束的最优控制问题。这样求梯度只需大约两倍的流场计算的计算量,而与设计变量的数目无关,故计算量大为减少。在处理含大量设计变量的设计问题方面,与其他方法相比,伴随方法作为一种替代方法,它在计算开销方面有巨大的优势。所有的敏感性导数只需通过一次流场计算和一次控制理论方程求解即可获得。求解控制理论方程的计算开销与求解流场方程的开销量级近似,因此任意一个设计参数的梯度值与两次的流场方程的计算量相当。伴随方法具有的梯度计算几乎与设计变量数目无关的显著优势,克服了气动噪声优化中计算开销大的问题,使得进行多参数低噪声优化设计成为可能,有着很大的研究价值和广阔应用前景。因此,基于伴随方法的外形优化方法比经典的基于梯度的优化方法更加经济,特别是当设计问题涉及大量设计参数的情况。然而,在目前的气动噪声优化问题特别是发动机管道噪声优化方面,所进行的研究工作还很少且一般使用计算开销大的遗传优化算法。还存在设计变量数目小、计算开销大的技术问题和难点。发展能处理大量设计参数的进气道减噪设计理论和工具是至关重要的。但是,现在还没有一种易操作并且能高效进行含大量设计参数的减噪设计的理论和方法。总之,开展基于连续伴随方法、改进文化基因算法和代理模型的高效率、多参数减噪优化方法研究具有重要意义。伴随方法在整体收敛性和全局最优解问题上存在着不足,一般会收敛到局部最优解。这是大多数基于梯度的非线性优化方法的局限。综上所述,现有进气道设计方法存在以下诸多问题:一、传统方法在发动机短舱降噪优化中只能考虑一个或两个等很少的设计变量,且大都基于简单的一个或者两个设计变量,设计空间太小,得到的优化外形变形太小且不够光滑,不能很好地表达几何外形的各种可能存在情况。然而,对于实际工程问题而言,所涉及的设计变量通常较多。二、传统方法通常采用搜索效率低或者耗时的常规优化方法,如遗传算法。通过耗费大量计算时间来得到优化结果,不利于发动机减噪的设计。三、传统方法只能考虑无流或者均匀背景流对声场的影响。四、在进行进气道优化时,使用的噪声计算方法、优化目标函数和优化搜索方法不同。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中涉及大量设计参数的涡扇发动机进气道减噪优化问题无法很好解决的缺陷,提供一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特点在于,所述涡扇发动机进气道减噪设计方法包括以下步骤:S1、在设计空间中取样本点进行试验设计;S2、首先计算所述样本点的背景流场值,然后基于所述背景流场计算噪声值,得到所述样本点的响应值;S3、采用伴随方法得到局部最优化设计点;S4、基于所述样本点及其响应值建立代理模型;S5、建立代理模型后,使用文化基因算法在代理模型上进行高效率寻优设计。较佳地,所述步骤S5之后还包括以下步骤S6:检验收敛准则是否满足,如果收敛准则满足要求,则得到对象问题的最优解;反之,将最优设计加入到所述样本点中,并返回所述步骤S4。较佳地,所述文化基因算法将当前最优设计点加入到样本中进行下一次建模优化,直至收敛准则满足。较佳地,所述步骤S2中通过数值分析程序得到所述样本点的响应值。较佳地,所述步骤S5中所述文化基因算法依次进行高搜索效率的文化基因算法和基于伴随方法和噪声控制方程的减噪优化设计方法。较佳地,所述高搜索效率的文化基因算法包括以下步骤:S51、种群初始化;S52、计算粒子的适应度,记录所述粒子的个体极值和群立体极值;S53、对所述粒子进行全局搜索;S54、对所述粒子进行局部搜索;S55、更新粒子并保留个体极值和群体极值;S56、判断是否满足终止条件,若是,则进入步骤S57;若否,则返回所述步骤S52;S57、进行交叉、变异操作;S58、判断是否满足终止条件,若是,则结束;若否,则返回所述步骤S53。较佳地,所述基于伴随方法和噪声控制方程的减噪优化设计方法包括以下步骤:S511、涡扇发动机短舱气动;S512、平均背景流计算;S513、通过目标函数定义和伴随边界条件,进行噪声伴随方程计算;S514、通过大量设计变量、网络扰动,进行目标函数和梯度值计算;S515、判断收敛准则是否满足;若满足,则进行局部最优设计;若不满足,则进行优化算法,设计新的短舱气动外形,返回步骤S512。较佳地,所述步骤S513具体包括以下步骤:首先,进行曲线坐标系下进气道噪声传播控制方程本文档来自技高网
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全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法

【技术保护点】
一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述涡扇发动机进气道减噪设计方法包括以下步骤:S

【技术特征摘要】
1.一种全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述涡扇发动机进气道减噪设计方法包括以下步骤:S1、在设计空间中取样本点进行试验设计;S2、首先计算所述样本点的背景流场值,然后基于所述背景流场计算噪声值,得到所述样本点的响应值;S3、采用伴随方法得到局部最优化设计点;S4、基于所述样本点及其响应值建立代理模型;S5、建立代理模型后,使用文化基因算法在代理模型上进行高效率寻优设计。2.如权利要求1所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述步骤S5之后还包括以下步骤S6:检验收敛准则是否满足,如果收敛准则满足要求,则得到对象问题的最优解;反之,将最优设计加入到所述样本点中,并返回所述步骤S4。3.如权利要求2所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述文化基因算法将当前最优设计点加入到样本中进行下一次建模优化,直至收敛准则满足。4.如权利要求1所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述步骤S2中通过数值分析程序得到所述样本点的响应值。5.如权利要求1所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述步骤S5中所述文化基因算法依次进行高搜索效率的文化基因算法和基于伴随方法和噪声控制方程的减噪优化设计方法。6.如权利要求5所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述高搜索效率的文化基因算法包括以下步骤:S51、种群初始化;S52、计算粒子的适应度,记录所述粒子的个体极值和群立体极值;S53、对所述粒子进行全局搜索;S54、对所述粒子进行局部搜索;S55、更新粒子并保留个体极值和群体极值;S56、判断是否满足终止条件,若是,则进入步骤S57;若否,则返回所述步骤S52;S57、进行交叉、变异操作;S58、判断是否满足终止条件,若是,则结束;若否,则返回所述步骤S53。7.如权利要求5所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述基于伴随方法和噪声控制方程的减噪优化设计方法包括以下步骤:S511、涡扇发动机短舱气动;S512、平均背景流计算;S513、通过目标函数定义和伴随边界条件,进行噪声伴随方程计算;S514、通过大量设计变量、网络扰动,进行目标函数和梯度值计算;S515、判断收敛准则是否满足;若满足,则进行局部最优设计;若不满足,则进行优化算法,设计新的短舱气动外形,返回步骤S512。8.如权利要求7所述的全局最优涡扇发动机进气道减噪设计方法,其特征在于,所述步骤S513具体包括以下步骤:首先,进行曲线坐标系下进气道噪声传播控制方程推导,对圆柱坐标系下的矩阵形式的2.5-DLEE方程表达式如下:其中:

【专利技术属性】
技术研发人员:邱昇
申请(专利权)人:中航商用航空发动机有限责任公司
类型:发明
国别省市:上海,31

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