S弯进气道全自动优化设计

现代飞行器对速度和机动性的要求越来越高,对发动机性能的要求越来越严格。对进气道进行优化是提高推进系统性能的重要措施之一。进气道需要在保证流动均匀性的同时给发动机提供足够的质量流量,另外对于整机而言,其长度、质量等都和进气道有关。S 弯进气道的轴向距离较短,能有效减小进气道尺寸[1]。S 弯进气道的研究始于20世纪40年代[2],近年来,由于其优异的气动隐身性能得到关注。

近年来,与CFD 相结合的进气道优化方法备受瞩目。Lefantzi [3]以总压畸变为优化目标研究了亚音速进气道的设计优化;Hyo [4]提出了一种基于随机克里金模型的全局优化方法。但目前基于大规模CFD 数值计算对S 弯进气道进行优化设计的研究较少,大多采用优选法得到优化模型;方伟良[5]等通过对几种进气道外形性能的对比,最终得到性能较好的方案;Lee [6]等对设计的几种不同进气道外形对比选择了性能较好的外形。优选法提供的几何外形种类有限,无法得到最优结果,且对设计人员依赖过高,工作量较大。针对以上问题本文搭建了一个全自动优化平台。

本文以文献[7]中的S 弯进气道为原始模型,搭建了一个全自动优化平台。1设计优化过程

进气道的结构和内部流场均对称,因此本文采用半模结构。本文基于Isight 搭建S 弯进气道自动优化平台,集成了Catia 、Pointwise 、Fluent 和基于C 语言的Simcode 组件。通过形状控制参数的变化改变进气道外形,然后在Catia 中自动建立相应模型,在Pointwise 中自动划分网格,在Fluent 中自动完成计算并得到相应的总压恢复和总压畸变。优化算法采用NSGA-域,种群规模为60、代数20,计算完成从得到的Pareto 前沿中选择合适的优化外形作为优化结果。1.1几何模型参数化

S 弯进气道的几何外形主要由中心线和横截面决定,中心

线变化规律决定了气流在管道内的偏转情况,横截面积决定了气流扩压情况。综合考虑计算成本和设计空间,本文用Hicks-Henne 型函数线性叠加来描述中心线和横截面积的变化。中心线表示如下:

z (x )=z basic (x )+N

k =1∑αk f k (x )

(1)

其中,z basic (x )是基准中心线的z 轴坐标值;x 是X 坐标与进气道长度的比值;αk 是控制中心线形状的参数;f k (x )是型函数,表达式为:

f k (x )=sin 2(πx

e (k )

)(2)

横截面为椭圆形,沿中心线并垂直于中心线分布。几何特征描述如下:

S (x )=S basic (x )+2N

k =N +1∑αk f k-N (x )

(3)

其中S basic (x )表示基础模型的横截面变化。横截面积A (x )=A 1+(A 2-A 1)×S (x ),横截面等效半径r (x )取根号A (x )。椭圆截面长、短轴表示为:

a (x )=r (x )×K (x )

b (x )=r (x )/K (x )

(4)

其中每个基函数的贡献由系数αk 来决定,与中心线有关的系数有五个,与横截面积有关的系数有十个。其三维模型如图1所示。

图1三维模型示意图

S 弯进气道全自动优化设计

张

竞

邵雪明

曾丽芳

郑

远

宋晓晨(浙江大学无人机研究中心,浙江杭州310027)

Design of S-Shaped Inlet Fully Automatic Optimization

摘要:为提高S 弯进气道的气动特性,针对一款S 弯进气道提出一种优化设计方法。基于大规模数值计算建立了一套全自动优化方法:以提高总压恢复系数和降低总压畸变为优化目标,基于Isight 搭建一个完整的S 弯进气道优化平台,并结合参数化建模、网格自动生成技术、数值计算以及非支配排序遗传算法穴NSGA-II雪对进气道进行多目标优化设计。结果表明,优化后的进气道中心线形状更平滑,横截面积变化较平缓。与原始进气道相比,优化后的进气道在设计马赫数处,总压畸变降低54%,总压恢复提高0.02%,气动性能明显提高,流场均匀性有所增加。另外,对于总压恢复,优化效果随着马赫数的增加而增大,总压畸变在所有计算马赫数下优化效果都很明显。

关键词:S 弯进气道,优化,总压恢复,总压畸变

Abstract 押This paper establishes a set of automatic optimization methods based on large-scale numerical simulation熏total pressure recovery and distortion at the exit of the diffuser are considered as optimization objectives熏combining with parametric modeling熏grid automatic generation technology熏numerical simulation and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II.After cur⁃rent optimization熏both the changes of center line and cross-sectional area are smoother.By analyzing the optimization results熏the total pressure recovery raises 0.02%熏and the total pressure distortion reduces 54%at designed Mach number.

Keywords 押S-duct inlet熏optimization熏total pressure recovery熏total pressure distortion

S 弯进气道全自动优化设计

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