一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法技术

一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法，包括以下步骤：基于B样条生成流向切面内流场壁面线，并求解出流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线；然后设定优化目标和约束条件，利用优化算法对流向切面内流场壁面线进行优化，得到优化后的流向切面内流场壁面线。最后基于优化后的流向切面内流场壁面线旋转生成轴对称高超声速飞行器前体型面。该方法在保证进气道能够捕获一定量的气流使其正常工作的前提下，同时兼顾实现了高超声速飞行器的容积率尽可能大的目标，通过优化计算能得到在给定约束条件下的最优解。

A B-spline-based optimization design method for hypersonic precursors of abdominal intake

【技术实现步骤摘要】
一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法
本专利技术涉及高超声速飞行器前体设计，特别是一种适用于腹部进气的轴对称高超声速前体设计方法。
技术介绍
冲压发动机进气道的作用为捕获一定量的高品质气流，并对其进行减速增压。腹部进气的进气道方案可为高超声速飞行器头部提供更大的空间，利于装载更多设备。腹部进气的高超声速飞行器设计是目前高超声速技术的发展前沿之一，受到越来越多关注。现有的腹部进气高超声速飞行器前体/进气道设计方法为先设计高超声速飞行器前体，然后再在前体流场中布置满足流量要求的进气道入口，完成设计。这种方法需要多次尝试才能得到满足要求的进气道入口形状，设计效率低下。在高超声速飞行器前体/进气道设计中必须考虑进气道气流捕获能力和飞行器容积率，但目前的设计还没有同时考虑这两个因素，并进行优化的。具体来说是在前体/进气道设计中满足进气道流量捕获的前提下，使飞行器的容积率尽可能大。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法。为实现本专利技术的技术目的，采用以下技术方案：一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法，包括以下步骤：(1)基于B样条生成流向切面内流场壁面线，并求解出流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线。给定n个控制点，n≥2，对应的曲线阶数k＝n-1，生成一条由n个控制点控制的B样条曲线，该B样条曲线即是流向切面内流场壁面线。给定来流条件，计算得到流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线O-S1。(2)对流向切面内流场壁面线进行优化。(2.1)确定优化变量并给定优化变量的取值范围。所述优化变量为步骤(1)中给定的n个控制点的横坐标或者纵坐标。(2.2)确定优化目标；优化目标表述如下：优化目标为：max(V)，min(Δy)约束条件为:Δy<e其中，V为流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转形成的曲面锥的体积；e为最大允许偏差，是一个给定的小量，取值范围为[0.01,1]，单位为mm；Δy通过下述方法得到：给定进气道流量唇口点位置(xc，yc)和进气道中心角θ，根据下式求出流线追踪起始点S1的纵坐标yS1：其中，直线y＝ys1和流场激波曲线O-S1及其延长线的交点为流线追踪起始点S1，这样就得到S1的位置坐标。然后再在步骤(1)中求解得到的流向切面内流场壁面线对应的流场中从流线追踪起始点S1出发进行流线追踪，得到从流线追踪起始点S1出发的流线追踪曲线S1-S2，其中S2是流线追踪曲线与线y＝yc的相交点。最后通过下式得到唇口点C和流线末端点S2沿y方向的绝对距离Δy：Δy＝|yc-yS2|式中yS2为点S2的纵坐标。(2.3)对于步骤(2.2)设定的优化目标和约束条件，利用优化算法进行迭代优化，选出满足Δy<e的个体，这些个体所组成的集合为可行解空间；然后在可行解空间中选择体积V最大的个体，该个体就是计算得到的最优解，由此得到了对应的优化后的流向切面内流场壁面线。(3)基于步骤(2)中得到的优化后的流向切面内流场壁面线旋转生成轴对称高超声速飞行器前体型面。本专利技术中：步骤(1)中，来流条件包括当地大气密度ρ、温度T、来流马赫数Ma和速度v，基于计算流体力学软件Fluent计算得到流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线O-S1。本专利技术中：步骤(2.1)中，取控制点的纵坐标作为优化变量为例：给定优化变量的取值范围，即给定各控制点的纵坐标的取值范围，表达式如下：式中yi代表第i个控制点的纵坐标；为第i个控制点纵坐标的取值下限，为给定值；为第i个控制点纵坐标的取值上限，为给定值。步骤(2.2)中流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转形成的曲面锥的体积V通过下述方法得到：对流向切面内流场壁面线沿流向进行均匀离散，得到一系列的等距离散点，然后通过下式求解流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转形成的曲面锥的体积：式中m为流向切面内流场壁面线沿流向的等距离散点数，Δx为离散间距在x轴的投影，离散间距取1mm～100mm，满足m＝L/Δx，其中L为高超声速飞行器前体的长度，为给定值。rk为流向切面内流场壁面线其第k个离散段的线段中心点的纵坐标。优化算法是目前发展比较成熟的一门学科，主要包括遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等等。本专利技术采用遗传算法中的多岛遗传算法。多岛遗传算法是公有技术，该方法在继承遗传算法特性的基础上还能通过在岛间的跳跃，跳出局部最优解的困境，从而找到全局最优解。在具体求解中可以通过给定变量及取值范围，设定优化目标和约束，经过一定代数的迭代优化，寻得优值。多岛遗传算法可通过编程实现，也可以集成优化软件Isight实现。利用优化算法计算完成后选出满足Δy<e的个体，这些个体所组成的集合为可行解空间。然后在可行解空间中选择体积V最大的个体，该个体就是计算得到的最优解。由此得到了样本空间内最优的流向切面内流场壁面线。本专利技术中：步骤(3)中，将步骤(2)中得到的优化后的流向切面内流场壁面线的中心线为对称轴，优化后的流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转θ角度，所形成的曲面为轴对称高超声速飞行器前体型面。相对现有技术，本专利技术的技术效果：本专利技术提供了一种腹部进气的的轴对称高超声速飞行器前体设计方法，该方法在保证进气道能够捕获一定量的气流使其正常工作的前提下，同时兼顾实现了高超声速飞行器的容积率尽可能大的目标，通过优化计算能得到在给定约束条件下的最优解。附图说明图1为基于B样条曲线的流向切面内壁面线的造型方法示意图；图2为基于B样条的流向切面流场壁面线优化方法示意图；其中，点O为坐标原点，同时也是飞行器前体锥尖点，曲线O-B为采用四个控制点生成的流向切面流场壁面线，曲线O-S1及其延长曲线是壁面线O-B在高超声速来流条件下产生的激波型线。S1为流线追踪起始点，S2为流线追踪末端点，点C为唇口点。从O出发的水平点化线为中心线。以点O为坐标原点建立直角坐标系，水平点化线为x轴方向，垂直于x轴竖直向上为y方向。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法，包括以下步骤：(1)基于B样条生成流向切面内流场壁面线，并求解出流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线。给定n个控制点(n≥2)，对应的曲线阶数k＝n-1，这样就可以生成一条由n个控制点控制的B样条曲线，该B样条曲线就是流向切面内流场壁面线。给定来流条件，包括当地大气密度ρ、温度T、来流马赫数Ma和速度v，然后基于计算流体力学软件Fluent计算得到流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线O-S1。Fluent软件可以计算给定来流条件的壁面型线对应的流场和激波，在空气动力学领域有广泛应用，是本领域发展很成熟的流体计算商业软件。(2)对流向切面内流场壁面线进行优化。(2.1)确定优化变量优化变量为步骤(1)中给定的n个控制点的横坐标或者纵坐标。下面取控制点的纵坐标作为优化变量为例，予以说明：给定优化变量的取值范围，即给定各控制点的纵坐标的取值范围，具体表达式如下：式中yi代表第i个控制点的纵坐标。为第i个控制点纵坐标的取值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于B样条生成流向切面内流场壁面线，并求解出流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线；给定n个控制点，n≥2，对应的曲线阶数k＝n‑1，生成一条由n个控制点控制的B样条曲线，该B样条曲线即是流向切面内流场壁面线；给定来流条件，计算得到流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线O‑S1；(2)对流向切面内流场壁面线进行优化；(2.1)确定优化变量并给定优化变量的取值范围；所述优化变量为步骤(1)中给定的n个控制点的横坐标或者纵坐标；(2.2)确定优化目标；优化目标表述如下：优化目标为：max(V)，min(Δy)约束条件为:Δy<e其中，V为流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转形成的曲面锥的体积；e为最大允许偏差，是一个给定的小量，取值范围为[0.01,1]，单位为mm；Δy通过下述方法得到：给定进气道流量

【技术特征摘要】
1.一种基于B样条的腹部进气高超声速前体优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于B样条生成流向切面内流场壁面线，并求解出流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线；给定n个控制点，n≥2，对应的曲线阶数k＝n-1，生成一条由n个控制点控制的B样条曲线，该B样条曲线即是流向切面内流场壁面线；给定来流条件，计算得到流向切面内流场壁面线对应的流场和激波型线O-S1；(2)对流向切面内流场壁面线进行优化；(2.1)确定优化变量并给定优化变量的取值范围；所述优化变量为步骤(1)中给定的n个控制点的横坐标或者纵坐标；(2.2)确定优化目标；优化目标表述如下：优化目标为：max(V)，min(Δy)约束条件为:Δy<e其中，V为流向切面内流场壁面线绕对称轴旋转形成的曲面锥的体积；e为最大允许偏差，是一个给定的小量，取值范围为[0.01,1]，单位为mm；Δy通过下述方法得到：给定进气道流量唇口点位置(xc，yc)和进气道中心角θ，根据下式求出流线追踪起始点S1的纵坐标yS1；其中，直线y＝ys1和流场激波曲线O-S1及其延长线的交点为流线追踪起始点S1，这样就得到S1的位置坐标；然后再在步骤(1)中求解得到的流向切面内流场壁面线对应的流场中从流线追踪起始点S1出发进行流线追踪，得到从流线追踪起始点S1出发的流线追踪曲线S1-S2，其中S2是流线追踪曲线与线y＝yc的相交点；最后通过下式得到唇口点C和流线末端点S2沿y方向的绝对距离Δy：Δy＝|yc-yS2|式中yS2为点S2的纵坐标；(2.3)对于步骤(2.2)设定的优化目标和约束条件，利用优化算法进行迭代优化，选出满足Δy<e的个体，这些个体所组成的集合为可行解空间；然后在可行解空间中选择体积V最大的个体，该个体就是计算得到的最优解，由此得到了对应的优化后的流向切面内流场壁面线；(3)基于步骤(2)中得到的优化后的流向切面内流场壁面线旋转生成轴对称高超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐尚成，王翼，王振国，范晓樯，苏丹，熊冰，赵星宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43