[發明專利]基于類別形狀函數的二元自由造型進氣道優化設計方法及系統

有效

• 申請號: 202110588063.3
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113221483B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 茍建軍;黃文鈺;龔春林;李天綱;王健磊;吳蔚楠;陳兵
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明提出了一種基于類別形狀函數的二元自由造型進氣道優化設計方法及系統。采用類別形狀函數法對壓縮面進行參數化建模，將類別形狀函數的控制參數作為二元自由造型進氣道優化設計模型的優化變量，并采用歸一化方法，對不同評估狀態點的流量系數與總壓恢復系數σ的比進行加權求和，將寬速域二元進氣道優化的多個馬赫數下、多個性能參數的多點多目標問題轉化為單目標問題，并進行優化，得到優化設計后的二元自由造型進氣道構型。相較于多級壓縮的定幾何二元進氣道，本方法所得到的二元自由造型進氣道構型性能更優，能夠為二元自由造型進氣道設計提供一種新型的高效設計方法。

技術領域

本發明涉及一種高超聲速進氣道設計方法，特別是涉及一種基于類別形狀函數的二元自由造型進氣道優化設計方法及系統。

背景技術

在當前的研究中，二元進氣道的設計均采用最佳波系理論，使壓縮面在設計狀態下產生的激波可以在唇口處封口，既保證了進氣道的壓縮效率又可以給燃燒室提供足夠的氣流。利用最佳波系理論設計二元進氣道時，需要首先選定設計點和總壓縮角以及壓縮面的數量，再根據斜激波關系式求出各級壓縮角的大小。

總壓縮角的大小和壓縮面的數量會直接影響到進氣道的性能，但是目前的研究中尚未提出一種合適的方法選擇總壓縮角和壓縮面的個數；設計點的選取會直接影響到進氣道能否滿足寬速域的工作要求。由于高速狀態下飛行高度較大，空氣稀薄，對進氣道的性能要求更高，因此設計時經常選擇高馬赫數作為設計點，但由此所設計的進氣道往往無法滿足進氣道在低速狀態下的工作要求。同時，最佳波系理論基于無黏流假設，在實際飛行過程中，由于粘性的影響會出現附面層，附面層對壓縮面產生的激波進行干擾，使其向唇口下方偏移，無法達到理想的設計狀態。在之前的研究中，需要進一步的優化設計和變幾何設計使進氣道滿足寬速域的要求。

寬速域二元進氣道的優化設計中，需要考慮進氣道在不同飛行狀態下的諸多性能參數，因此，其目標函數是多點多目標的。本發明基于多目標優化中的歸一化方法，結合進氣道流量與發動機流量匹配要求，對不同飛行狀態下的流量系數與總壓恢復系數之比加權求和，將多點多目標問題轉化為單一的目標函數。在對該目標函數的應用中發現，可以直接通過優化設計，使二元進氣道滿足設計要求，因此提出直接對二元進氣道的壓縮面進行優化設計，初始壓縮面為一條任意曲線，通過類別形狀函數來控制曲線的形狀，將類別形狀函數的控制參數作為優化變量，不同狀態下的性能指標作為約束條件，確定涵蓋不同馬赫數下二元進氣道性能的目標函數，選擇合適的優化算法對模型進行優化，使優化后的構型可以滿足設計要求，并將該方法稱為自由造型的二元進氣道優化設計方法。

發明內容

本發明提出了一種基于類別形狀函數的二元自由造型進氣道優化設計方法及系統。采用類別形狀函數法對壓縮面進行參數化建模，將類別形狀函數的控制參數作為二元自由造型進氣道優化設計模型的優化變量，并采用歸一化方法，對不同評估狀態點的流量系數與總壓恢復系數σ的比進行加權求和，將寬速域二元進氣道優化的多個馬赫數下、多個性能參數的多點多目標問題轉化為單目標問題，并進行優化，得到優化設計后的二元自由造型進氣道構型。相較于多級壓縮的定幾何二元進氣道，本方法所得到的二元自由造型進氣道構型性能更優，能夠為二元自由造型進氣道設計提供一種新型的高效設計方法。

為了實現上述目的，本發明提供了如下的技術方案。

一種基于類別形狀函數的二元自由造型進氣道優化設計方法，包括以下步驟：

建立二元進氣道基準構型模型，確定基本幾何參數，利用類別形狀函數法對壓縮面進行參數化建模，將類別形狀函數的控制參數作為二元自由造型進氣道優化設計模型的優化變量；

根據設計要求，選擇合適的評估狀態點，確定二元自由造型進氣道優化設計模型的約束條件；

根據進氣道吸入流量和發動機需求流量之間的匹配關系，確定涵蓋不同馬赫數下二元進氣道性能的二元自由造型進氣道優化設計模型的目標函數；