基于cfd的复杂气动优化与稳健设计方法研究

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1、分类号V211学校代码10699密级学号2010100216西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：基于CFD的复杂气动优化与稳健设计方法研究作者：赵轲学科专业：飞行器设计指导教师：高正红2014年11月ComplexAerodynamicOptimizationandRobustDesignMethodBasedonComputationalFluidDynamicsByZhaoKeUndertheSupervisionofProfessorGaoZheng-hongADissertationSubm

2、ittedNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi‟an,P.R.ChinaNovember,2014摘要摘要飞行器气动优化设计是现代CFD(ComputationalFluidDynamics)技术与优化搜索方法相结合而形成的一个新的研究方向，是飞行器设计学科的重要组成部分。随着航空科技的发展，对各类飞行器提出的各类性能需求不断增加，同时

3、要求也不断提高，给飞行器气动特性设计提出了更多更复杂的设计要求，引发了高维多目标设计问题；同时气动外形也更加复杂，需要对外形进行精细设计，这使得设计变量数目不断增加，造成了多设计变量问题；对于工程设计，要求飞行器性能更加稳健可靠，需要通过设计来减小不确定性因素对飞行器性能的影响，对于气动设计需要开展稳健设计问题研究。围绕飞行器复杂优化问题和稳健性设计问题，本文首先开展了气动数值模拟方法的研究，开发了一套高效可靠的CFD计算程序，为气动优化奠定了基础。进一步研究了气动外形参数化方法，优化算法以及代理模型方法，

4、以松散式代理模型管理框架耦合以上要素建立了气动优化平台。在本文优化设计平台的基础上开展了复杂气动优化问题研究和基于不确定分析的气动稳健性设计研究工作。本文主要完成了以下几个方面的工作：1.针对飞行器气动外形设计，开发了一套数值求解RANS(ReynoldsAveragedNa-vier-Stokes)方程的高效气动分析程序，通过典型的航空气动算例验证了该程序的气动分析精度。研究了分区拼接网格的划分与边界插值策略，保证复杂流场计算精度要求的前提下，降低计算难度，提高计算效率；第二，针对边界层转捩对气动外形优化

5、设计的影响，开展了当地变量转捩模式研究，并将其引入CFD数值计算系统，进行了典型的边界层转捩数值模拟，为层流技术研究应用奠定了基础。2.为了解决复杂气动外形高效优化设计技术问题，针对构成气动外形优化设计方法中的参数化方法、代理模型技术、优化搜索算法三要素开展研究。首先，研究了多种翼型机翼参数化方法，包括CST参数化方法，FFD参数化方法，实现了从翼型到机翼以及到全机气动外形的参数化建模。针对三维复杂外形精细化设计，开发了基于NURBS基函数的FFD方法，有效解决了以Bezier基函数为基础的FFD参数化方法

6、设计空间不足，设计变量相关性强的问题；第二，开展了代理模型技术研究，重点以Kriging代理模型为例，研究了设计变量维数对代理模型精度的影响，结果表明随着设计变量数目的增加，代理模型精度急剧下降，构造代理模型所需样本数目迅速增加，出现了代理模型“维度灾难”问题。结合传统的基于松散式代理模型管理框架的气动外形优化设计方法，发现了由于受多设计变量对代理模型精度影响，导致了优化搜索过程中基于代理模型优化结果的“精度冻结”问题。针对多设计变量下的代理模型问题，建立了基于空间分区的代理模型构造方法，提高了代理模型精度

7、和构造效率，并以此为基础提出了基于分区代理模型的协同优化管理框架，以典型的BWB(Blended-Wing-Body)布局运输机气动外I西北工业大学博士学位论文形精细化设计为例，完成了BWB气动外形精细化优化设计，验证了优化设计方法。3.开展了高维多目标优化研究，针对传统多目标优化算法收敛困难及优化结果难以进一步决策等问题，采用PCA(PrincipalComponentAnalysis)分析方法进行高维多目标问题的主要目标提取，针对该方法存在的问题，结合改进ε-constraint优化方法和工程分析，建立

8、了分层多级约束优化设计方法，采用该方法系统地进行了旋翼翼型气动优化设计研究，优化结果表明分层多级约束方法很好地解决了旋翼翼型高维多目标设计难题，最终得到了一套先进的旋翼翼型族。4.开展了气动稳健设计研究，针对传统的不确定性分析方法(蒙特卡洛取样方法)计算耗时，效率低下等问题，引入PCE(PolynomialChaosExpansion)混沌多项方法，以少数求积节点来构造不确定性响应模型，提高了分析计算效率；耦合P