基于机翼气动设计准则的超临界机翼气动优化研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252013V01．34No．2263．272ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．CFI基于机翼气动设计准则的超临界机翼气动优化研究杨昆淼，张卫民*，王斌中国航天空气动力技术研究院空气动力应用技术研究发展中心，北京100074摘要：机翼的气动特性决定了一架飞机的经济性、安全性、舒适性以及环保性，而机翼的气动设计问题十分复杂，需要满足合理的机翼气动

2、设计准则，才具有工程实用价值。基于计算机辅助工程(CAE)的机翼优化设计方法需要较少的人力成本，但无法保证气动设计准则得到满足，其结果仍需大量的后续修改工作。因此，当前实际工程应用中，机翼的设计仍然在很大程度上依赖于设计人员的经验，需要大量的人力。为了提高机翼优化设计结果的工程实用价值，进而减少后续人工设计工作量，提高机翼气动设计的效率。首先对机翼表面压力分布进行分析；然后根据机翼气动设计准则，在传统升阻特性目标函数的基础上，构造新的目标函数；最后将这个新的目标函数代入优化过程。研究结果表明：升阻特性难以全面地描

3、述机翼的气动特性，以其为目标函数无法保证设计结果满足气动设计准则，不具工程实用价值；而根据机翼气动设计准则构造的目标函数能够在优化过程中保证设计准则得到满足，有效提高设计结果的工程实用价值；同时，与传统直接以升阻特性为优化目标的优化过程相比，该方法引入的额外计算量可以忽略不计。关键词：机翼；气动设计准则；压力分布；优化；计算机辅助工程中图分类号：V211．41文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)02—0263—1020世纪60～70年代，为了提高机翼阻力发散马赫数，美国国家航空航天局(NASA)

4、发展了超临界翼型[1]。如今，跨声速翼型、机翼设计已经取得了巨大的进步。从最初的主要依赖风洞试验选型到当前的以数值计算和风洞试验相结合的设计手段，计算机和计算流体力学(CFD)的快速发展起到了关键作用。工程中一般需要根据一定的经验来设计机翼。人们在长期的风洞试验和机翼设计过程中总结出了一系列气动设计准则[2。3]，满足气动设计准则的翼面压力分布才具有工程实用价值，但在实际操作过程中要设计出满足气动设计准则的机翼往往需要消耗大量人力。为了实现机翼气动外形的计算机自动设计，人们已经进行了大量的研究。20世纪70年代，

5、Hicks等[4。53研究了将数值方法与数值优化方法相结合的气动外形设计方法。其优化目标一般设定为升阻特性，然而通过这种方法设计出的外形在升阻特性得到优化的同时，往往难以满足阻力发散等特性的要求，工程实用价值较低。同一时期，为了获得合理的压力分布，反设计方法也得到了发展，Nieuwland[63和TranenL71研究了反设计方法在二维翼型上的应用；HenneL83采用全速势方程，将反设计方法应用于三维跨声速机翼；朱自强等[91研究了跨声速翼型和机翼的反设计计算方法。反设计方法通过事先设定压力分布来避免获得不合理

6、的压力分布。收稿日期：2012—02．03；退修日期：2012-02．20；录用El期：2012—03．13；网络出版时间：2012—04．0718：41网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．20120407．1841．006htmI*通讯作者．Tel．：010．68190739E．mail：zhwm0631@sina．corn韵用椿武

7、YangKM。ZhangWM．WangB．Researchofsupercriticalwingoptimizationbasedonae

8、rodynamicdesignprincipleofwing．Ac．taAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(2)：263-272．杨昆淼，张l民，王斌．基于机翼气动设计准则的超临界机翼气动优化研究．航空学报．2013．34(2)：263-272．航空学报反设计方法的一个重要问题是，假如事先设定的压力分布不满足一定的约束条件，所对应的外形很可能并不存在。Jameson等口“123在跨声速机翼设计中引入控制理论，将约束问题转化为无约束问题；杨旭东等[1列研究了基于控制理论和

9、Navier—Stokes方程的气动设计方法。然而这种方法与反方法共同的问题是，提出合理的目标压力分布要求设计人员具有大量的设计经验，另外，该方法无法保证目标压力分布为最优方案。这些研究结果说明，追求自动化设计与工程实用价值之间存在着矛盾。正方法自动化程度高，然而难以满足气动设计准则，结果工程实用价值低；反方法若要获得较高的工程实用价值，不仅需要投入大量的人力，还对设计师