论文部分内容阅读
随着计算机水平的发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)在飞行器设计中发挥着越来越重要的作用。与此同时,现代飞行器气动外形的精细化设计对气动特性预测精度和设计手段提出了更高的要求。结合高精度的CFD技术和高效的优化设计方法进行飞行器气动外形优化设计是提高飞行器空气动力学性能的有效手段。本文基于CFD方法,以超声速/高超声速流动为主,开展了流动数值模拟和气动外形优化设计方法研究。论文主要研究内容为：1.建立了并行化的CFD模拟方法和计算程序,并对复杂高速湍流和转捩流动进行了数值模拟。采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法分析了计算格式等因素对湍流计算收敛性的影响,并对两种κ-ω类湍流模型的高速流动预测性能进行了评估。基于γ-Reθt转捩模型,提出了简化的γ-SST转捩模型。新的转捩模型可以得到与γ-Reθt模型相差不大的计算结果,且其形式更为简洁,计算量更小。此外,对γ-Reθt模型进行了高速流动情况下的压缩性修正研究。2.发展了吴备单目标／多目标和局部／全局优化能力的飞行器高保真度气动外形优化方法和流程。发展了适用于飞行器外形优化的参数化建模与网格自动生成技术。研究并改进了粒子群和量子粒子群优化算法,提高了算法的收敛速度和全局寻优能力。改进了径向基函数代理模型,并发展了基于代理模型技术的全局优化流程,提高了基于CFD的高保真度优化效率。3.基于本文发展的优化方法开展了典型飞行器气动优化问题的应用研究。优化结果表明,局部优化方法具有优异的收敛性,可以快速得到设计空间内的局部最优值；基于代理模型的气动优化流程在提供高保真度气动特性获取手段的同时,可大幅降低计算耗时,从而提高优化效率。所研究的多个优化案例均取得了较好的效果,验证了优化方法的有效性和实用性。4.开展了飞行器气动特性不确定性和灵敏度分析研究,并初步进行了气动外形的稳健优化。采用多项式混沌展开法开展了气动特性的不确定性和全局灵敏度分析,量化了不确定性因素对气动特性波动的贡献程度。结合响应面代理模型和不确定性分析方法,发展了高效的气动外形稳健优化流程。针对超临界翼型的优化表明,相比于初始外形和确定性优化后的外形,稳健优化后的翼型阻力显著下降,且具有更优的阻力发散特性。