旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaJul．252012V01．33No．71218—1226ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．CRhkxb@buaaedu．cn文章编号：i000—6893(2012)07—1218—09旋翼翼型多目标多约束气动优化设计杨慧，宋文萍*，韩忠华，许建华西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安710072摘要：为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足，发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于

2、雷诺平均Navier—Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能，并建立目标函数和状态函数的Kriging模型，采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(ExpectedImprovement)函数最大值，更新Kriging模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明，优化后旋翼翼型在满足约束的同时，与基准旋翼翼型OA209相比：在悬停状态下，阻力系数下降了2。1％；在机动状态下，最大升力系数提高了4．2％；在前飞状态下，阻力系数在不同马赫数下均有所减小。关键词：旋翼翼型；Kriging模型；多目标；多约束

3、；气动优化设计中图分类号：V211．52文献标识码：A直升机在军事和民用等方面都具有一般飞机不可代替的重要作用，其性能主要取决于旋翼，而旋翼的气动性能主要取决于旋翼翼型，研究发展具有优良气动特性的先进旋翼翼型是提高旋翼性能和扩展直升机飞行包线的一项基本措施，对提高直升机的承载能力、飞行性能和操纵品质载荷有重要贡献。旋翼需要在悬停、前飞和机动等多种复杂运动状态下工作，既要求旋翼翼型具有优良的高速超临界性能又要求其具有优良的低速大迎角气动性能。此外，由于旋翼操纵载荷的限制，要求翼型具有接近于零的力矩系数。因此，旋翼翼型的设计是一个多设计点多约束的综合优化设计问题[1j。20世纪

4、70年代开始，国外许多国家开展了针对旋翼翼型的设计研究，拥有了直升机专用翼型。如美国波音公司发展的VR系列翼型、法国的OA系列以及俄罗斯的TsAGI系列等[1”3]。国内在直升机旋翼翼型系列的研究起步较晚，自20世纪90年代起国内也针对旋翼翼型的设计开展了相关研究¨。5j。目前，工程上采用的旋翼翼型的设计方法主要有：基于工程经验的试凑法[2]；给定目标压力分布的反设计[6。；基于梯度算法的优化设计方法[4_j。其中，试凑法和反设计方法虽然广泛应用于工程实践，但对设计人员的经验具有很高的要求，并且在处理多目标多约束问题时比较困难。人们希望发展一种给定性能约束，自动寻找最优解的

5、方法。基于计算流体力学(CFD)数值优化设计方法应运而生。优化设计方法大大降低了设计过程中对“人”的依赖，具有更大的灵活性。但是传统的旋翼翼型优化设计采用梯度优化方法[4’7]，如基于控制理论的优化设计方法，其具有收稿Et期：2011．09—19；退修日期：2012—01-10；录用日期：2012—04—22；网络出版时间：2012—05—1010：40网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V201205101040011．html基金项目：国家自然科学基金(10902088)；西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室基金(91400

6、4201020802)*通讯作者．Tel．：029—88491144E—mail：wpsong@nwpu．edu．cn戮臻辖武；YangH．SongWP．HanZH，eta1．Multi-objectiveandmulti-constrainedoptimizationdesignforahelicopterrotorairfoil。ActaAeronauticaetAstronauhcaSinica．2012，33(7)：1218-1226．扬慧，宋文萍，韩忠华，等．旋翼翼型多目标多约束气动优佬设计航空学报，2012，33(7)：1218—1226．，杨慧等：旋翼翼型多目

7、标多约束气动优化设计较高的效率，但会出现陷入局部最优的问题；且该方法针对旋翼翼型设计的多设计点多约束优化，其伴随方程难以构造。而如果采用遗传算法之类的全局优化算法，其计算量过大，使优化难以实现。因此本文提出一种将Kriging代理模型与遗传算法相结合来进行旋翼翼型优化设计的方法，可以大大提高优化效率和实现多设计点多约束情况下的全局优化。1流动控制方程及其求解在连续介质假设下，惯性坐标系下忽略彻体力和热源的二维非定常可压缩雷诺平均Navier—Stokes方程可写成如下积分形式：胪3aW。dv+肛·ndS一肛。刊s(