[發(fā)明專利]非軸對(duì)稱自然層流短艙反設(shè)計(jì)方法及自然層流短艙

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210012711.5
• 申請(qǐng)日: 2022-01-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114036650B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉紅陽(yáng);宋超;羅驍;周鑄;藍(lán)慶生;呂廣亮;余永剛;王浩;唐文淵;黃勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力研究所
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 馬騰飛

本發(fā)明公開(kāi)了一種非軸對(duì)稱自然層流短艙反設(shè)計(jì)方法及自然層流短艙，涉及短艙設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，它包括9個(gè)步驟，通過(guò)對(duì)不同基準(zhǔn)面的分別設(shè)計(jì)形成最終的非軸對(duì)稱自然層流短艙，基于生成拓?fù)溆成淠Ｐ停詨毫Ψ植紴槟繕?biāo)，整個(gè)步驟使用客觀方法實(shí)現(xiàn)，不依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)；通過(guò)多個(gè)基準(zhǔn)面的設(shè)計(jì)、匹配融合，將非軸對(duì)稱短艙的三維流動(dòng)效應(yīng)貫穿始終；并且所需樣本數(shù)目少、計(jì)算成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及層流短艙設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非軸對(duì)稱自然層流短艙反設(shè)計(jì)方法及自然層流短艙。

背景技術(shù)

大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)是目前全世界民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿σ妫哂性肼暤汀⑷加托矢摺⑹褂脡勖L(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能提供出色的推質(zhì)比，在航空運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。一般短艙阻力占飛機(jī)總阻力的5%左右，而大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由于幾何尺寸的增大使其在全機(jī)總阻力中所占比重不斷增大。巡航狀態(tài)下，短艙表面的流動(dòng)分為層流和湍流兩種，湍流的摩擦阻力遠(yuǎn)高于層流的摩擦阻力。因此若能在短艙外表面實(shí)現(xiàn)較大范圍的層流覆蓋，能夠有效降低摩擦阻力，節(jié)約燃油消耗，提升飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)有非軸對(duì)稱自然層流短艙設(shè)計(jì)方法分為三大類：

第一，憑借設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，使用參數(shù)化造型工具對(duì)短艙多個(gè)基準(zhǔn)面進(jìn)行造型，借助CFD求解器模擬軸對(duì)稱層流短艙的氣動(dòng)性能，通過(guò)分析相應(yīng)流場(chǎng)，結(jié)合邊界層轉(zhuǎn)捩位置及層流區(qū)長(zhǎng)度，再次對(duì)短艙的各個(gè)基準(zhǔn)面進(jìn)行修型改進(jìn)，如此重復(fù)，直至獲得令設(shè)計(jì)者滿意的層流區(qū)范圍，最終將各個(gè)基準(zhǔn)面構(gòu)型組合形成非軸對(duì)稱自然層流短艙。這種設(shè)計(jì)方法過(guò)度依賴設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，且需要循環(huán)往復(fù)的造型，時(shí)間成本較高，與軸對(duì)稱層流短艙相比，由各基準(zhǔn)面組合獲得的非軸對(duì)稱短艙的層流范圍也會(huì)略有損失。

第二，在初始非軸對(duì)稱短艙外形的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，對(duì)非軸對(duì)稱短艙的多個(gè)基準(zhǔn)面對(duì)應(yīng)的軸對(duì)稱短艙進(jìn)行轉(zhuǎn)捩位置最大化或阻力最小化優(yōu)化，需要強(qiáng)調(diào)的是，優(yōu)化過(guò)程中對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)面開(kāi)展的是二維外形加軸對(duì)稱邊界條件的數(shù)值模擬，最終根據(jù)各個(gè)基準(zhǔn)面構(gòu)型組合獲得非軸對(duì)稱自然層流短艙外形，這種設(shè)計(jì)方法具備一定的自動(dòng)化功能，但與第一類方法類似，忽略了非軸對(duì)稱短艙的三維特性，與軸對(duì)稱層流短艙相比，由各基準(zhǔn)面組合獲得的非軸對(duì)稱短艙的層流范圍會(huì)略有損失。

第三，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，直接對(duì)非軸對(duì)稱短艙進(jìn)行轉(zhuǎn)捩位置最大化或阻力最小化優(yōu)化設(shè)計(jì)。這類方法需要的考慮的設(shè)計(jì)變量較多，且各設(shè)計(jì)參數(shù)之間相互耦合，無(wú)論是使用梯度類優(yōu)化算法還是無(wú)梯度類優(yōu)化算法，所需樣本點(diǎn)數(shù)都非常大，計(jì)算成本難以接受。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種不過(guò)渡依賴設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)不同基準(zhǔn)面進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)并匹配組合，著重考慮短艙三維特性，所需樣本點(diǎn)數(shù)量較少的非軸對(duì)稱自然層流短艙反設(shè)計(jì)方法及層流短艙。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種非軸對(duì)稱自然層流短艙反設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1，建立初始非軸對(duì)稱短艙，記為初始短艙；

步驟2，選擇初始短艙的左右或上下兩個(gè)基準(zhǔn)面；

步驟3，針對(duì)兩個(gè)基準(zhǔn)面分別選取樣本點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)基準(zhǔn)面分別進(jìn)行參數(shù)化及數(shù)值模擬，獲得各樣本點(diǎn)在相應(yīng)基準(zhǔn)面上的壓力分布；

步驟4，構(gòu)建GTM模型；

步驟5，預(yù)設(shè)目標(biāo)壓力分布，并尋優(yōu)，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)的非軸對(duì)稱短艙，記為最優(yōu)自然層流短艙；

步驟6，對(duì)最優(yōu)自然層流短艙進(jìn)行CFD校驗(yàn)，若最優(yōu)自然層流短艙滿足要求，則該兩個(gè)基準(zhǔn)面設(shè)計(jì)結(jié)束；若最優(yōu)自然層流短艙不滿足要求，則重復(fù)步驟3~步驟5，并在步驟3中重新選取樣本點(diǎn)，或在步驟5中重設(shè)目標(biāo)壓力分布。

優(yōu)選的，步驟6后還包括步驟：

步驟7，將滿足要求的兩個(gè)基準(zhǔn)面匹配到初始短艙中，獲得新的非軸對(duì)稱自然層流短艙，記為第一短艙。