跨声速自然层流机翼优化设计方法及应用
近年来，民用航空对环境的影响越来越受到公众的关注，欧洲2050航空愿景的目标就是把CO2的排放量从2005年的水平减少一半，这就对飞机气动性能的改善提出了更高的要求。现代民机巡航状态的阻力主要由摩擦阻力和升致阻力构成，分别占总阻力的一半和三分之一左右。NASA飞行试验表明，机翼表面层流区域从10%拓展到90%时，航程可以增加接近50%；或者起飞重量可以减少一半以上，极大地提高飞机巡航效率。层流减阻作为一项革新性的技术，为显著提高飞机气动性能提供了可能，将是未来最具潜力和效果最显著的技术之一。 本文对跨声速自然层流技术开展了深入研究，建立了新的优化设计模型来解决跨声速自然层流翼型/机翼优化设计中面临的矛盾问题；提出了变保真度分层优化设计方法，以提高层流机翼优化设计效率。主要研究工作和成果包括： 1）建立了跨声速自然层流翼型/机翼多目标优化设计模型。高雷诺数状态下，自然层流技术是减小机翼/翼型表面湍流摩擦阻力的有效方法。然而由于层流翼面上大范围顺压梯度的存在使得后缘处的压力恢复产生较强的激波，在减小摩擦阻力的同时又增加了激波阻力，基于此，本文将层流外形设计的单目标问题扩展成设计层流外形的同时并对后缘激波进行控制的多目标优化问题，建立了跨声速自然层流优化模型。 2）开展了采用耦合博弈理论的高性能进化算法求解多目标问题的研究。应用博弈理论（合作Pareto均衡理论、竞争Nash理论和分级Stackelberg理论）耦合GAs的多目标优化方法来解决层流翼型优化过程中转捩位置和激波强度之间的矛盾，即优化翼型的外形推迟表面流动转捩的发生，同时采用激波控制技术减小波阻力。分析优化后结果发现，耦合博弈理论的优化方法可以得到多目标问题的收敛解（Pareto阵面解、Nash均衡解和Stackelberg均衡解），优化后翼型的气动性能较初始翼型的气动性能明显改善。因此，基于耦合博弈理论的自然层流翼型多目标优化方法是有效的、可行的。 3）开展了采用后缘调整片进行激波控制的跨声速自然层流翼型多目标优化设计研究。分析安装鼓包翼型不同飞行状态下的气动性能发现，在偏离设计点时翼型阻力系数明显增加，因此，进行了采用后缘调整片进行激波控制的自然层流翼型多目标优化设计研究。优化后得到了多目标问题的Pareto阵面解，阵面上翼型的层流特性明显改善、激波强度得到有效地控制，同时，无论在设计点还是偏离设计点时，优化后翼型均具有良好的、鲁棒性强的升阻力特性。 4）提出了基于变保真度流动分析的转捩判断方法。为了拓展层流技术的潜在优势，在飞行器层流机翼设计初期需要快速、有效的转捩判断工具。基于结合位势流方程和欧拉方程的变保真度流动分析，提出了变保真度的转捩判断方法来缩短流动转捩判断时间。 5）提出了自然层流机翼变保真度分层优化设计方法。首先开展了自然层流机翼单目标优化设计研究，优化后机翼表面的层流区域从初始外形的23.68%增加到45.5%，表面摩擦阻力系数 从初始外形的0.005减低到0.00404，层流特性明显改善。分析优化结果发现层流机翼后缘处产生较强的激波，进一步开展了自然层流机翼多目标优化设计研究。优化后得到多目标问题的Pareto 阵面解，阵面上对应机翼的气动性能大大改善，层流区域较初始机翼明显增加，激波强度得到有效地控制。分析各数值计算结果得出，变保真度分层优化方法可以求解得到高精度模型上的最优解，说明本文建立的变保真度分层优化方法是可行的。对比常用的优化设计方法获得收敛解所需时间可知，采用变保真度分层优化方法只需较少的时间便可以得到高精度模型的收敛解，因此，本文建立的变保真度分层优化设计方法是高效的。 6）开展了公务机和无人机自然层流机翼的实用性优化设计研究，优化后得到了具有较大层流面积的机翼，表面层流区域分别达到 45.5%和 57.7%。因此，本文建立的自然层流机翼变保真度分层优化设计方法可以为高空高速长航程无人机、公务机和支线飞机等层流技术的应用提供技术支持。
机翼;跨声速自然层流技术;优化设计
南京航空航天大学
博士
流体力学
唐智礼
2018
中文
V224
2021-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）