本发明专利技术提出一种高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，包括如下步骤：步骤1：确定不确定源及相应的随机变量；步骤2：确定设计变量及变化范围；步骤3：确定目标稳健性和约束可靠性的评价指标；步骤4：建立稳健优化设计模型；步骤5：获取样本数据；步骤6：基于FAFBS的PCE方法建立不确定分析方法；步骤7：基于智能优化算法对步骤4建立的稳健优化设计模型进行求解，获得满足目标稳健性与约束可靠性的翼型解集；步骤8：对所得解集进行判断，若满足设计要求则输出结果，否则更新样本后返回步骤6，直至收敛输出结果；最终完成设计获得一组翼型族。本发明专利技术能够显著改善稳健优化的效率和高空长航时无人机翼型的气动性能，可满足工程应用。
1、以全球鹰为代表的高空长航时无人机要求具有超长滞空、高亚音速飞行、远距离巡航、高机动特性和适应跨空域飞行需求。这要求其翼型设计具有大的升力系数、高的升阻比，良好的力矩特性，并在一定雷诺数、马赫数范围以及升力系数范围内具有稳健的低阻特性。这类飞行器多采用大展弦比机翼设计，高空低密度、低雷诺数以及低湍流度使机翼表面容易维持稳定的层流区。因此，采用自然层流设计将是最有效的解决手段，如全球鹰无人机的卓越性能与采用的先进高速高升力自然层流翼型密不可分，其翼型lrn1015的设计升力系数在1.0左右，而通常该状态下全湍流动翼型的升力系数要低得多。高性能自然层流翼型/机翼的设计依然制约着该类型飞行器的发展。
2、目前，针对高空长航时无人机的高速高升力层流翼型的设计方法主要有，基于代理模型的层流翼型优化设计方法和基于离散伴随的层流翼型优化设计方法。但是，现有的基于代理模型的层流翼型优化设计方法(论文：超临界层流翼型优化设计策略，北京航空航天大学学报，2017)和基于离散伴随的层流翼型优化设计方法(专利：cn116305523b基于离散伴随的层流翼型优化方法)仅考虑单点或多点的确定性设计，未考虑层流区对参数敏感性问题，然而该类飞行器在跨空域复杂飞行条件下对马赫数、飞行攻角、雷诺数、湍流度、表面粗糙度等多种参数波动非常敏感，容易在上述这些参数波动时出现气动性能的急剧恶化，这使得现有设计方法难以设计出满足工程应用要求的翼型。
>3、面对上述问题，气动稳健设计方法是一种有希望的解决途径，但是传统的气动稳健设计方法，不确定分析手段为采用cfd方法获取样本以分析气动特性的不确定影响，由于样本数量大，一旦考虑多参数不确定性时，每次迭代每个候选外形所需不确定分析和量化计算代价剧烈增加，设计效率低；采用代理模型代替cfd求解器可以有效减小计算代价，然而代理模型本身是近似数学模型，又会引入模型的不确定性，设计结果精度不高，因此，针对高空长航时无人机的翼型设计，传统的气动稳健设计方法也难以被工程使用。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，尤其针对跨空域高升力层流翼型层流区的发展对多因素不确定性非常敏感，难以被工程应用的问题，本专利技术提出一种高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，通过耦合转捩预测方法和基于sst湍流模型的rans方程求解流场，保证可靠的分析精度，通过引入机器学习的方法，在每次子迭代时对每个候选外形使用基于全自适应前向-后向选择(fully adaptive forward-backwardselection,fafbs)方法的稀疏多项式混沌展开(polynomial chaos expansion,pce)方法进行不确定分析，能够极大改善稳健优化的效率，进而能够满足工程应用。
2、本专利技术通过以下技术方案来实现：
3、一种高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，包括以下步骤：
4、步骤1：针对高空长航时无人机，确定对高空长航时无人机气动性能造成显著影响的不确定源，确定代表不确定源的随机变量的分布形式和变化范围；
5、步骤2：选择初始翼型，对初始翼型进行参数化，确定设计变量及变化范围；
6、步骤3：根据高空长航时无人机翼型的设计要求，确定气动设计目标和约束，并确定目标稳健性和约束可靠性的评价指标；
7、步骤4：确定设计点，结合步骤3确定的目标稳健性和约束可靠性的评价指标，建立稳健优化设计模型；
8、步骤5：采用拉丁超立方方法抽样获取样本，并获取样本的气动特性；所述样本包括：针对带有稳健性评价指标的目标和可靠性评价指标的约束而构建的随机变量和设计变量联合样本；
9、步骤6：基于步骤5获得的样本，针对步骤1确定的不确定源，基于全自适应前向-后向选择算法(fafbs)的稀疏多项式混沌重构方法(pce)建立不确定分析和量化方法；
10、步骤7：基于多目标粒子群优化算法和步骤6建立的不确定分析和量化方法，对步骤4建立的稳健优化设计模型进行寻优求解，获得满足目标稳健性与约束可靠性的翼型解集；
11、步骤8：对步骤7中得到的解集进行判断，判断是否满足设计要求，满足则输出结果并结束，否则使用多目标优化加点准则选择新样本点，并获取样本气动特性，添加到样本库中，然后返回步骤6，重新往后执行，直至收敛输出结果并结束。
12、进一步的，所述步骤1中高空长航时无人机气动设计相关的不确定源包括来流马赫数、升力系数。
13、进一步的，初始翼型为lrn1015翼型。
14、进一步的，所述步骤3中目标稳健性评价指标为设计目标在设计变量处的均值和方差；所述约束可靠性评价指标为约束侵犯边界的概率。
15、进一步的，所述步骤4建立的稳健性优化设计模型具体数学表达式为：
16、find x∈rn,
17、min(μf(x),σf(x))
18、s.t.pgi(gi(x,ξ)≤0)≤p0i,i＝1,2,…m,ξ∈rd
19、其中，x＝(x1,x2,…,xn)t为步骤2参数化后获得的n个独立的设计变量，ξ＝(ξ1,ξ2,…,ξd)t表示d个独立同分布的随机变量，μf(x)和σf(x)指目标函数f＝f(x,ξ)在设计变量x处的均值和方差，pgi表示第i个约束gi侵犯边界值的概率，其值不能大于可靠性要求的概率值rn表示设计变量的变化空间，rd表示随机变量的变化空间。
20、进一步的，所述步骤5并获取样本的气动特性，采用rans数值求解器，通过耦合γ-reθt转捩预测方法和sst湍流模型进行转捩预测；所述气动特性包含升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数。
21、进一步的，基于上述方法设计得到一组高速高升力层流翼型族，包括npu15-1、npu15-5、npu15-6和npu15-7四个翼型，四个翼型的统一表达式为：
22、
23、其中，x、y为翼型的横坐标、纵坐标，ai为拟合系数，ytail代表翼型后缘台阶的y坐标；
24、所述npu15-1翼型的上表面的参数描述为：
25、
26、所述npu15-1翼型的下表面的参数描述为：
27、
28、所述npu15-5翼型的上表面的参数描述为：
29、
30、所述npu15-5翼型的下表面的参数描述为：
31、
32、所述npu15-6翼型的上表面的参数描述为：
33、
34、所述npu15-6翼型的下表面的参数描述为：
35、
36、所述npu15-7翼型的上表面的参数描述为：
37、
38、所述npu15-7翼型的下表面的参数描述为：
39、
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【技术保护点】
1.高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤1中高空长航时无人机气动设计相关的不确定源包括来流马赫数、升力系数。
3.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述初始翼型为LRN1015翼型。
4.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤3中目标稳健性评价指标为设计目标在设计变量处的均值和方差；所述约束可靠性评价指标为约束侵犯边界的概率。
5.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤4建立的稳健性优化设计模型具体数学表达式为：
6.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤5并获取样本的气动特性，采用RANS数值求解器，通过耦合转捩预测方法和SST湍流模型进行转捩预测；所述气动特性包含升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数。
7.利用权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法设计得到一组高速高升力层流翼型族，其特征在于，包括NPU15-1、NPU15-5、NPU15-6和NPU15-7四个翼型，四个翼型的统一表达式为：
8.根据权利要求7所述的翼型族，其特征在于，获得所述NPU15-1、NPU15-5、NPU15-6和NPU15-7四个翼型的设计点分别如下：
9.根据权利要求7所述的翼型族，其特征在于，获得所述NPU15-1、NPU15-5、NPU15-6和NPU15-7四个翼型的优化设计模型分别如下：
10.根据权利要求7所述的翼型族，其特征在于，获得的所述NPU15-1、NPU15-5、NPU15-6和NPU15-7四个翼型，相比于全球鹰翼型LRN1015翼型具有如下特点：
...
【技术特征摘要】
1.高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤1中高空长航时无人机气动设计相关的不确定源包括来流马赫数、升力系数。
3.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述初始翼型为lrn1015翼型。
4.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤3中目标稳健性评价指标为设计目标在设计变量处的均值和方差；所述约束可靠性评价指标为约束侵犯边界的概率。
5.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤4建立的稳健性优化设计模型具体数学表达式为：
6.根据权利要求1所述高空长航时无人机高速高升力层流翼型设计方法，其特征在于，所述步骤5并获取样本的气动特性，采用ra...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵欢，王摄昆，高正红，龚志园，甘科耀，邢浩楠，甘雨杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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