一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法及系统，该方法包括：基于进气道出口与燃烧室入口的形状，通过对隔离段内流动面积变化规律的调整，对隔离段外形进行第一次气动性能优化，得到初始隔离段的离散点；在局部坐标系中划分出一个完全包络完隔离段的长方体，并在该长方体上选取若干均匀分布的控制点，形成控制点格栅；以控制点格栅中各控制点的局部坐标为变量，隔离段的总压恢复系数为优化目标，利用全局寻优算法进行第二次气动性能优化，获得最佳气动性能的隔离段离散点，并生成三维实体。本发明专利技术应用于高超声速飞行器技术领域，能够将隔离段出口的总压恢复系数显著提高，对于分厘必争的高超声速飞行器而言优化效果十分可观。果十分可观。果十分可观。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及高超声速飞行器
，主要涉及吸气式高超声速飞行器发动机的隔离段设计领域，具体是一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法及系统。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器是指飞行速度超过五倍声速的一种新型飞行器，其研制受到了广泛重视和深入研究。非吸气式高超声速飞行器携带氧化剂的质量达到了起飞重量的绝大部分,而其有效负载量所占比例极小，所以仅仅从经济性来看，发展吸气式高超声速飞行是必然的。
[0003]对于吸气式高超声速飞行器，隔离段是其动力系统的一个重要部件,同时它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道的干扰。对于不同构型的隔离段有不同的设计方法。
[0004]对于等直隔离段而言，其中的激波、膨胀波以及边界层相互干扰的流动机理认识比较清楚，因此提出了一些能指导等直隔离段设计的半经验公式。对于弯曲隔离段而言，方法主要有文献“复杂变截面进气道的一种设计方法”提出的一种基于曲率控制的截面形状生成与过渡技术、文献“超声速转弯流道设计方法”提出的一种超声速转弯流道设计方法以及文献“一种高超声速隔离段优化设计方法及系统”提出了一种基于几何融合的三维弯曲变截面流道设计方法。
[0005]上述现有的隔离段设计方法中，工程师大多都是通过三维造型软件如Solidworks、CATIA等"画"出相应的外形，然后通过商业软件进行网格划分并进行流体力学仿真获得其性能，极其耗时；个别现有技术中也提出了隔离段的参数化设计方法，但是缺乏对管道流动气动特性的理解，容易限制住生成构型的种类。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法及系统，相较于原有隔离段，能够将隔离段出口的总压恢复系数显著提高，对于分厘必争的高超声速飞行器而言优化效果十分可观。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，基于进气道出口与燃烧室入口的形状，并利用CFD循环仿真进行第一次气动性能优化，得到初始隔离段的离散点；
[0009]步骤2，将初始隔离段的离散点由全局坐标系转换至局部坐标系，并基于隔离段的总体尺寸在局部坐标系中划分出一个完全包络完隔离段的长方体，并在该长方体上选取若干均匀分布的控制点，形成控制点格栅；
[0010]步骤3，以控制点格栅中各控制点的局部坐标为变量，隔离段的总压恢复系数为优化目标，利用全局寻优算法进行第二次气动性能优化，获得最佳气动性能的隔离段离散点，
并进一步得到最佳气动性能的隔离段表面网格；
[0011]步骤4，将最佳气动性能的隔离段表面网格导入CATIA软件截取不同几何位置处的轮廓线，并将轮廓线依次按照顺序进行放样生成光滑曲面生成三维实体，得到隔离段的最终构型。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，步骤1具体包括：
[0013]步骤1.1，提取进气道出口与燃烧室入口的形状，并进行数值离散，得到表示隔离段入口与出口形状的离散点坐标；
[0014]步骤1.2，基于隔离段入口与出口的离散点坐标，利用几何融合方法得到隔离段各沿程截面的离散点的初始坐标，并基于各沿程截面的离散点的初始坐标积分得到各沿程截面的面积初始值；
[0015]步骤1.3，构建具有至少一个控制参数的隔离段沿程截面面积变化模型，并基于隔离段沿程截面面积变化模型得到各沿程截面的面积设计值；
[0016]步骤1.4，基于各沿程截面的面积初始值与面积设计值得到各沿程截面的缩放因子，并基于各沿程截面的缩放因子以及离散点的初始坐标得到各沿程截面的离散点的最终坐标，即得到隔离段整体的离散点；
[0017]步骤1.5，将隔离段整体的离散点以STL格式进行表达后导入网格划分软件并进行CFD循环仿真，以隔离段的总压恢复系数为优化目标，利用优化算法改变控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛，即得到初始隔离段的离散点。
[0018]作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.2中，所述利用几何融合方法得到隔离段各沿程截面的离散点的初始坐标，具体为：
[0019]对于隔离段的第i个沿程截面，其沿程坐标为x(i)，即第i个沿程截面中每个离散点的x轴坐标均为x(i)，与之对应的y轴坐标、z轴坐标即为：
[0020]y(i,j)＝(1
‑
k
i
)
·
y
in
(j)+k
i
·
y
in
(j)
[0021]z(i,j)＝(1
‑
k
i
)
·
z
in
(j)+k
i
·
z
in
(j)
[0022][0023]式中，y(i,j)为第i个沿程截面中第j个离散点的y轴坐标，z(i,j)为第i个沿程截面中第j个离散点的z轴坐标，k
i
为第i个沿程截面的融合系数，y
in
(j)为进气道出口截面中第j个离散点的y轴坐标，z
in
(j)为进气道出口截面中第j个离散点的z轴坐标，x
in
为进气道出口截面的x轴坐标，x
out
燃烧室入口截面的x轴坐标；
[0024]即得到第i个沿程截面中第j个离散点的初始坐标为：(x(i)，y(i,j)，z(i,j))。
[0025]作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.3中，所述隔离段沿程截面面积变化模型具体为：
[0026][0027]式中，A
i
表示第i个沿程截面的面积设计值，A
in
表示进气道出口截面的面积，A
out
表示燃烧室入口截面的面积，n表示用来描述隔离段外形的沿程截面的总数，a、b为控制参数。
[0028]作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.4中，各沿程截面的离散点的最终坐标的获取过程具体为：
[0029]将第i个沿程截面的面积初始值除以设计值后开方，即得到第i个沿程截面的缩放因子p(i)；
[0030]最终得到第i个沿程截面中第j个离散点的最终坐标为：(x(i)，p(i)
·
y(i,j)，p(i)
·
z(i,j))。
[0031]作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.5所述利用优化算法改变控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛，具体为：
[0032]利用梯度优化算法改变控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛。
[0033]作为上述技术方案的进一步改进，步骤2中，所述将初始隔离段的离散点由全局坐标系转换至局部坐标系，具体为：
[0034]设定全局坐标系为O
‑
XYZ，其坐标轴原点O在全局坐标系中为(0,0,0)；设定局部坐标系为O
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FFD方法的隔离段的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于进气道出口与燃烧室入口的形状，并利用CFD循环仿真进行第一次气动性能优化，得到初始隔离段的离散点；步骤2，将初始隔离段的离散点由全局坐标系转换至局部坐标系，并基于隔离段的总体尺寸在局部坐标系中划分出一个完全包络完隔离段的长方体，并在该长方体上选取若干均匀分布的控制点，形成控制点格栅；步骤3，以控制点格栅中各控制点的局部坐标为变量，隔离段的总压恢复系数为优化目标，利用全局寻优算法进行第二次气动性能优化，获得最佳气动性能的隔离段离散点，并进一步得到最佳气动性能的隔离段表面网格；步骤4，将最佳气动性能的隔离段表面网格导入CATIA软件截取不同几何位置处的轮廓线，并将轮廓线依次按照顺序进行放样生成光滑曲面生成三维实体，得到隔离段的最终构型。2.根据权利要求1所述基于FFD方法的隔离段的优化设计方法，其特征在于，步骤1具体包括：步骤1.1，提取进气道出口与燃烧室入口的形状，并进行数值离散，得到表示隔离段入口与出口形状的离散点坐标；步骤1.2，基于隔离段入口与出口的离散点坐标，利用几何融合方法得到隔离段各沿程截面的离散点的初始坐标，并基于各沿程截面的离散点的初始坐标积分得到各沿程截面的面积初始值；步骤1.3，构建具有至少一个控制参数的隔离段沿程截面面积变化模型，并基于隔离段沿程截面面积变化模型得到各沿程截面的面积设计值；步骤1.4，基于各沿程截面的面积初始值与面积设计值得到各沿程截面的缩放因子，并基于各沿程截面的缩放因子以及离散点的初始坐标得到各沿程截面的离散点的最终坐标，即得到隔离段整体的离散点；步骤1.5，将隔离段整体的离散点以STL格式进行表达后导入网格划分软件并进行CFD循环仿真，以隔离段的总压恢复系数为优化目标，利用优化算法改变控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛，即得到初始隔离段的离散点。3.根据权利要求2所述基于FFD方法的隔离段的优化设计方法，其特征在于，步骤1.2中，所述利用几何融合方法得到隔离段各沿程截面的离散点的初始坐标，具体为：对于隔离段的第i个沿程截面，其沿程坐标为x(i)，即第i个沿程截面中每个离散点的x轴坐标均为x(i)，与之对应的y轴坐标、z轴坐标即为：y(i,j)＝(1
‑
k
i
)
·
y
in
(j)+k
i
·
y
in
(j)z(i,j)＝(1
‑
k
i
)
·
z
in
(j)+k
i
·
z
in
(j)式中，y(i,j)为第i个沿程截面中第j个离散点的y轴坐标，z(i,j)为第i个沿程截面中第j个离散点的z轴坐标，k
i
为第i个沿程截面的融合系数，y
in
(j)为进气道出口截面中第j个离散点的y轴坐标，z...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈镜帆，范晓樯，熊冰，刘俊兵，王翼，闫跃鹏，
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：