基于機翼氣動設(shè)計準則的超臨界機翼氣動優(yōu)化研究

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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252013V01．34No．2263．272ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．CFI基于機翼氣動設(shè)計準則的超臨界機翼氣動優(yōu)化研究楊昆淼，張衛(wèi)民*，王斌中國航天空氣動力技術(shù)研究院空氣動力應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100074摘要：機翼的氣動特性決定了一架飛機的經(jīng)濟性、安全性、舒適性以及環(huán)保性，而機翼的氣動設(shè)計問題十分復(fù)雜，需要滿足合理的機翼氣動

2、設(shè)計準則，才具有工程實用價值?；谟嬎銠C輔助工程(CAE)的機翼優(yōu)化設(shè)計方法需要較少的人力成本，但無法保證氣動設(shè)計準則得到滿足，其結(jié)果仍需大量的后續(xù)修改工作。因此，當(dāng)前實際工程應(yīng)用中，機翼的設(shè)計仍然在很大程度上依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，需要大量的人力。為了提高機翼優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的工程實用價值，進而減少后續(xù)人工設(shè)計工作量，提高機翼氣動設(shè)計的效率。首先對機翼表面壓力分布進行分析；然后根據(jù)機翼氣動設(shè)計準則，在傳統(tǒng)升阻特性目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造新的目標(biāo)函數(shù)；最后將這個新的目標(biāo)函數(shù)代入優(yōu)化過程。研究結(jié)果表明：升阻特性難以全面地描

3、述機翼的氣動特性，以其為目標(biāo)函數(shù)無法保證設(shè)計結(jié)果滿足氣動設(shè)計準則，不具工程實用價值；而根據(jù)機翼氣動設(shè)計準則構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)能夠在優(yōu)化過程中保證設(shè)計準則得到滿足，有效提高設(shè)計結(jié)果的工程實用價值；同時，與傳統(tǒng)直接以升阻特性為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化過程相比，該方法引入的額外計算量可以忽略不計。關(guān)鍵詞：機翼；氣動設(shè)計準則；壓力分布；優(yōu)化；計算機輔助工程中圖分類號：V211．41文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000—6893(2013)02—0263—1020世紀60～70年代，為了提高機翼阻力發(fā)散馬赫數(shù)，美國國家航空航天局(NASA)

4、發(fā)展了超臨界翼型[1]。如今，跨聲速翼型、機翼設(shè)計已經(jīng)取得了巨大的進步。從最初的主要依賴風(fēng)洞試驗選型到當(dāng)前的以數(shù)值計算和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的設(shè)計手段，計算機和計算流體力學(xué)(CFD)的快速發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。工程中一般需要根據(jù)一定的經(jīng)驗來設(shè)計機翼。人們在長期的風(fēng)洞試驗和機翼設(shè)計過程中總結(jié)出了一系列氣動設(shè)計準則[2。3]，滿足氣動設(shè)計準則的翼面壓力分布才具有工程實用價值，但在實際操作過程中要設(shè)計出滿足氣動設(shè)計準則的機翼往往需要消耗大量人力。為了實現(xiàn)機翼氣動外形的計算機自動設(shè)計，人們已經(jīng)進行了大量的研究。20世紀70年代，

5、Hicks等[4。53研究了將數(shù)值方法與數(shù)值優(yōu)化方法相結(jié)合的氣動外形設(shè)計方法。其優(yōu)化目標(biāo)一般設(shè)定為升阻特性，然而通過這種方法設(shè)計出的外形在升阻特性得到優(yōu)化的同時，往往難以滿足阻力發(fā)散等特性的要求，工程實用價值較低。同一時期，為了獲得合理的壓力分布，反設(shè)計方法也得到了發(fā)展，Nieuwland[63和TranenL71研究了反設(shè)計方法在二維翼型上的應(yīng)用；HenneL83采用全速勢方程，將反設(shè)計方法應(yīng)用于三維跨聲速機翼；朱自強等[91研究了跨聲速翼型和機翼的反設(shè)計計算方法。反設(shè)計方法通過事先設(shè)定壓力分布來避免獲得不合理

6、的壓力分布。收稿日期：2012—02．03；退修日期：2012-02．20；錄用El期：2012—03．13；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2012—04．0718：41網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．20120407．1841．006htmI*通訊作者．Tel．：010．68190739E．mail：zhwm0631@sina．corn韻用椿武

7、YangKM。ZhangWM．WangB．Researchofsupercriticalwingoptimizationbasedonae

8、rodynamicdesignprincipleofwing．Ac．taAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(2)：263-272．楊昆淼，張l民，王斌．基于機翼氣動設(shè)計準則的超臨界機翼氣動優(yōu)化研究．航空學(xué)報．2013．34(2)：263-272．航空學(xué)報反設(shè)計方法的一個重要問題是，假如事先設(shè)定的壓力分布不滿足一定的約束條件，所對應(yīng)的外形很可能并不存在。Jameson等口“123在跨聲速機翼設(shè)計中引入控制理論，將約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題；楊旭東等[1列研究了基于控制理論和

9、Navier—Stokes方程的氣動設(shè)計方法。然而這種方法與反方法共同的問題是，提出合理的目標(biāo)壓力分布要求設(shè)計人員具有大量的設(shè)計經(jīng)驗，另外，該方法無法保證目標(biāo)壓力分布為最優(yōu)方案。這些研究結(jié)果說明，追求自動化設(shè)計與工程實用價值之間存在著矛盾。正方法自動化程度高，然而難以滿足氣動設(shè)計準則，結(jié)果工程實用價值低；反方法若要獲得較高的工程實用價值，不僅需要投入大量的人力，還對設(shè)計師