一种跨声速自然层流短舱优化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种跨声速层流短舱优化设计方法，采用压力分布设计和减阻优化设计分段优化设计策略，可快速设计得到短舱层流段要求的顺压压力分布，并有效弱化短舱外壁的激波强度，得到满足设计要求的自然层流短舱。本发明专利技术具有较强的适用性，不仅适用于单独短舱的跨声速自然层流高效设计，对翼吊短舱同样可以实现高效的跨声速自然层流设计。

An optimal design method of natural laminar flow nacelle with transonic velocity

【技术实现步骤摘要】
一种跨声速自然层流短舱优化设计方法
本专利技术属于航空航天
，具体涉及一种跨声速自然层流短舱优化设计方法。
技术介绍
为追求经济性和环保性，国际上对民用航空飞行器的燃油消耗和排放提出了越来越高的要求。减小气动阻力是空气动力学设计的关键任务，对飞机燃油效率和环保指标都有重大的影响，是全局综合性的关键技术之一。随着现代精细化气动分析技术和高效率优化设计方法的发展，气动减阻优化设计方法的收益越来越小。采用层流技术减小摩擦阻力已经成为进一步提高民机巡航经济性的必由之路。大涵道比涡扇发动机技术的快速发展带来了发动机几何尺寸的迅速增加，发动机阻力占全机阻力的比重也迅速增加，而短舱表面的摩擦阻力是短舱阻力的重要来源之一，因此对短舱外表面进行自然层流设计，能有效减小摩擦阻力，提升全机的经济性。此外发动机短舱对升力、力矩等气动性能要求较低，约束较少；且不受附着线转捩问题的影响，因此短舱的层流减阻设计具有较高的可行性。经自然层流设计的短舱称之为自然层流短舱。在追求环保性和经济性之外，民机也追求更高的巡航速度以缩短飞行时间，因此其发动机要在跨声速工况下工作，会导致发动机短舱外表面不可避免地遭遇激波的干扰，需要对短舱精心设计，控制好短舱外壁的激波位置和激波强度，减小其阻力和对机翼的干扰。对自然层流短舱来讲，上述两种要求存在的困难在于，在短舱上实现自然层流需要将其头部的压力分布设计为一段较长的顺压，但由此会导致其外壁的激波增强并向下游移动，进而进一步增加了在短舱外壁控制激波位置和弱化激波强度的难度。短舱作为一种特殊的类圆柱体构型，其外流具有显著的三维流动特征，不同于翼型、机翼等构型的二维或近似二维流动。因此，在自然层流短舱的优化设计中，原先在翼型、机翼设计中所使用的二维翼型层流设计方法对短舱来讲已不适用，需要直接针对三维短舱外形来开展短舱的自然层流优化设计。在优化设计中，直接三维短舱的CFD计算需要花费较长的时间，而其自然层流设计难度的增加会降低优化效率，进一步导致了优化时间的增加。
技术实现思路
为解决现有技术的困难，实现对自然层流短舱的快速优化设计，并能够实现短舱层流段顺压压力分布形态要求，以及有效弱化短舱外壁激波强度的设计目标，得到满足设计要求的自然层流短舱，本专利技术提出了一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，可对三维短舱开展压力分布设计，得到具有指定层流区长度和弱激波的自然层流短舱构型，提高优化设计效率，从而大幅缩短优化时间。本专利技术的技术方案为：所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，并给出短舱的几何及气动约束；步骤2：对初始短舱外形进行参数化造型；计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布；步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计：以短舱外形为优化参数；在设定的压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，快速获得压力分布；以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化，获得满足几何与气动约束、压力分布约束的优化结果；步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计：以短舱外形为优化参数；对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，提取压力分布；以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，气动性能中的压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。进一步的优选方案，步骤2中对初始短舱外形进行参数化造型的方法包括CST参数化方法、FFD或改进的FFD参数化方法。进一步的优选方案，步骤3和步骤4的优化过程中，采用对短舱控制剖面施加扰动变形的方式实现短舱的三维变形。进一步的优选方案，短舱控制剖面为短舱周向任意站位需要进行设计的控制剖面。进一步的优选方案，步骤3中，采用速度势方程求解器或欧拉方程求解器进行流场计算。进一步的优选方案，步骤4中，采用RANS方程求解器进行流场计算。进一步的优选方案，步骤4中，通过引入代理模型替代部分流场计算以提高优化效率。进一步的优选方案，步骤3和步骤4中设定的压力分布设计区间、维持层流所需的最小顺压梯度、顺压区长度信息是根据预先对已有自然层流设计试验研究成果总结来确定的。进一步的优选方案，步骤3和步骤4中采用的优化算法包括群体智能全局优化算法、代理优化算法或梯度优化算法。进一步的优选方案，步骤3和步骤4中采用的网格变形方法包括无限插值网格变形方法、径向基函数插值网格变形方法、旋转四元数插值网格变形方法或IDW逆距离权重插值网格变形方法。有益效果本专利技术提供了一种跨声速层流短舱优化设计方法，采用压力分布设计和减阻优化设计分段优化设计策略，可快速设计得到短舱层流段要求的顺压压力分布，并有效弱化短舱外壁的激波强度，得到满足设计要求的自然层流短舱。本专利技术具有较强的适用性，不仅适用于单独短舱的跨声速自然层流高效设计，对翼吊短舱同样可以实现高效的跨声速自然层流设计。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1：本专利技术的跨声速自然层流短舱优化设计方法图2：本专利技术的压力分布设计和减阻优化设计阶段的优化流程图3：本专利技术的跨声速自然层流短舱优化实例外形及设计剖面图4：本专利技术的优化设计中所用的改进的FFD参数化方法控制框图5：本专利技术的优化实例的初始外形的指定剖面压力分布图6：本专利技术的优化实例在压力分布设计阶段的优化结果的剖面翼型对比图7：本专利技术的优化实例在压力分布设计阶段的优化结果的剖面压力分布对比图8：本专利技术的优化实例的减阻优化设计阶段优化结果的剖面翼型对比图9：本专利技术的优化实例的减阻优化设计阶段优化结果的剖面压力分布对比具体实施方式本专利技术旨在提供一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，可对三维短舱开展压力分布设计，得到具有指定层流区长度和弱激波的自然层流短舱构型，提高优化设计效率，从而大幅缩短优化时间。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，并给出短舱的几何及气动约束；/n步骤2：对初始短舱外形进行参数化造型；计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布；/n步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计：/n以短舱外形为优化参数；/n在设定的压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；/n改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，快速获得压力分布；/n以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化，获得满足几何与气动约束、压力分布约束的优化结果；/n步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计：/n以短舱外形为优化参数；/n对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；/n改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，提取压力分布；/n以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，气动性能中的压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据气动设计要求，确定单个短舱的设计指标，并给出短舱的几何及气动约束；
步骤2：对初始短舱外形进行参数化造型；计算参数化初始短舱的气动性能，并提取短舱控制剖面的压力分布；
步骤3：在大设计空间下对初始短舱进行压力分布优化设计：
以短舱外形为优化参数；
在设定的压力分布设计区间内，对短舱控制剖面分别施加压力峰值约束、压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，其中压力峰值约束为压力峰值绝对值不小于某一设定数值，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；
改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用低精度高效的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，快速获得压力分布；
以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化，获得满足几何与气动约束、压力分布约束的优化结果；
步骤4：以步骤3得到的短舱外形优化结果作为初始值，在小设计空间下对短舱构型开展减阻优化设计：
以短舱外形为优化参数；
对短舱顺压区控制剖面施加压力梯度约束以及压力系数二阶导约束，压力梯度约束为顺压约束，压力系数二阶导约束为压力系数二阶导大于等于0约束；并要求短舱外形满足步骤1中给定的短舱几何约束；
改变参数化短舱外形并进行网格变形以获取计算网格，采用高精度的求解器进行流场计算，计算短舱的气动性能，提取压力分布；
以气动性能中的最大层流区长度大于设定值为约束，气动性能中的压差阻力小于设定值为优化目标，对短舱外形进行优化。


2.根据权利要求1所述一种跨声速自然层流短舱优化设计方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：白俊强，汪辉，孟晓轩，张美红，王美玲，聂胜阳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61