基于CST参数化方法的巡飞弹翼型优化设计.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:傅砚()男硕士研究生:.通信作者:姚文进()男教授:.:./.基于 参数化方法的巡飞弹翼型优化设计傅 砚姚文进薛尚捷武天阳(南京理工大学 机械工程学院 南京)摘要:针对巡飞弹在低雷诺数下与传统飞机不同的翼型需求对低雷诺数翼型 进行了优化研究 基于 参数化方法分析了不同 多项式阶数下 翼型匹配程度采用序列二次规划算法作为优化方法以提高升阻比为优化目标进行优化 结果表明:在特定飞行条件下优化后的翼型升力系数提升了.升阻比提高了.采用优化翼型的巡飞弹升力系数提升了.升阻比提升了.改善了低雷诺环境下机翼上下压力分布整体提升了巡飞弹的气动性能 为低雷诺数巡飞弹翼型提供理论依据和设计参考关键词:巡飞弹低雷诺数翼型优化 参数化方法序列二次规划算法本文引用格式:傅砚姚文进薛尚捷等.基于 参数化方法的巡飞弹翼型优化设计.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言巡飞弹是一种低成本的精确制导弹药具有长时间续航能力并能够快速攻击陆地或海上非视线下的目标 由于战备需求巡飞弹常处于低雷诺数环境 然而目前有关翼型的研究大多基于传统飞行器翼型设计且主要关注高雷诺数(量级)下的翼型优化 雷诺数从低到高所反映的气动现象完全不同若直接将高雷诺数翼型套用进低雷诺数()巡飞弹将导致气动性能急剧恶化 基于这一背景有必要对巡飞弹低雷诺数翼型进行专门的研究目前针对低雷诺数翼型的气动优化设计相较于传统飞行器翼型并不是十分丰富主要的研究手段为风洞试验和数值模拟 国内外尽管对翼型低雷诺数试验开展了大量的研究工作 但由于低雷诺数条件下流动稳定性差风洞实验易受外界各种干扰导致无法精确控制风洞流场环境从而不同风洞实验获得的实验数据差异较大 因此常采用数值模拟对翼型作先一步优化研究避免风洞实验的反复调试随着计算机性能的提高和数值方法的发展对翼型优化设计问题的研究趋于采用翼型参数化结合优化算法模拟得出最优翼型的方向发展 廖炎平等分别对对称翼型、弯度翼型和超临界翼型的几何外形进行最小二乘拟合对比了型函数线性扰动法、特征参数描述法、正交基函数法和 方法(/)对翼型参数的拟合精度结果表明 方法具有更好的拟合精度 自此国内专家学者在翼型参数化时逐渐采用 参数化作为最优方案 在优化算法方面选择序列二次规划法与其他算法相比序列二次规划法求解非线性规划问题更加高效既能保持整体收敛性又能完成局部超一次收敛性更加适合实际工程需求为提升巡飞弹在巡航阶段的气动性能本文中采用 参数化方法搭建翼型模型以提高升阻比作为优化目标根据数值模拟的气动力数据结合序列二次规划法进行寻优为低雷诺数巡飞弹翼型提供理论依据和设计参考 翼型参数化模型建立.参数化方法 参数化方法(/)是美国波音公司的 等提出的一种基于型函数/类函数变换的参数化方法 翼型的上下表面用如下的公式来表达:上表面()()()()下表面()()()()式中:/为翼型无因次 坐标 /为翼型无因次 坐标/为翼型上表面前缘厚度比/为翼型下表面后缘厚度比类函数()定义如下:()()()型函数()定义如下:()()()()()()()!()!()()式中:对于一般的圆头部、尖后缘翼型取.取.和 为翼型上下表面部件形函数的系数()为 多项式 表示翼型上下表面 多项式的阶次因此用 参数化建模方法表示上下表面坐标方程表示为:()()!()!()()()!()!().不同 多项式阶数下精度对比研究表明 多项式阶数对 参数化拟合精度影响较大 对 阶 多项式定义的翼型参数化进行研究发现过高的阶数将使参数化过程严重病态化且不同翼型形状差异较大针对亚音速翼型前缘半径较小最大厚度位置靠后低雷诺数翼型前缘厚度更厚弯曲程度更为明显因此不同翼型所需阶数并不相同选取适当的阶数是合理且必要的结合国内外已知低雷诺数机翼研究选取 翼型作为巡飞弹基础翼型弦长为 根据文献为了保证上下表面在前缘处的前缘半径相同令 为研究不同 多项式阶数对 翼型参数化精度取 进行研究图 为分别使用 时 方法拟合翼型函数曲线点和实际翼型点的坐标残差的平方和 从图 可以看出对 翼型进行参数化表示时 多项式阶数越高误差减小 时精度基本达到仿真要求 阶以后误差趋于稳定可以达到很高的精度 图 为 时的 参数化翼型与 翼型对比由图 可看出 种翼型基本重合前缘和后缘翼型捕捉清晰翼型弯度能很好满足考虑到后续优化因变量不宜过多因此本次优化仿真采用 作为 多项式阶数兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 不同阶数下残差平方和.图 时 拟合结果和基础翼型对比.数值计算.网格划分采用 软件对设计翼型进行网格划分采用 型拓扑结构整个计算域可视为半圆形网格和矩形网格结合翼型前端与尾部点到计算域边界的距离取 翼型弦长的倍弦长为 第一层网格数取.翼型表面节点布置为 个网格数量为 流场网格划分整体轮廓图和局部加密图如图 所示图 翼型网格划分图.控制方程及湍流模型湍流流动的应用模型包含单方程模型、标准 模型、修正的 模型、大涡模拟等 其中 模型在近壁面采用 模型在边界层外采用 模型将两者优势相互结合应用最为广泛利用 压力速度耦合求解器求解雷诺平均的不可压缩 方程采用 算法梯度差值方法选用最小二乘法压力差值方法选用二阶迎风格式计算步长为.边界条件翼型表面设置为无滑移翼面进口处设置为速度进口入流攻角为速度为/出口处设置为压力出口计算得出升力系数和阻力系数.验证案例为验证本文中所采用的数值计算方法的可靠性选择对 翼型进行数值模拟采用.节相同的网格划分方法湍流模型分别采用、攻角分别设为.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.及.共 个攻角并将仿真数据与伊利诺伊州立大学()低速风洞在雷诺数 条件下获得的 翼型实验数据进行对比对比结果如图 所示图 种湍流模型仿真数值与实验数据对比.从图 可以看出、相较于 湍流模型更加精确与实验数据更为贴合 实际在仿真计算过程中当攻角为.时升力系数实验值为.模型下获得的升力系数为.偏差为.傅 砚等:基于 参数化方法的巡飞弹翼型优化设计 获得的升力系数为.偏差为.阻力系数实验值为.模型下获得的阻力系数为 偏差为.获得的阻力系数为 偏差为 相比而言 模型略优于 模型验证了本文中采用的数值计算方法的可靠性 采用序列二次规划算法的气动优化设计 求解约束非线性优化问题时序列二次规划算法是最有效的方法之一具有收敛性好、计算效率高、边界搜索能力强等优点以 翼型为基础翼型要求设计一个低雷诺数翼型使其在马赫数 .攻角 巡飞高度 空气密度 ./雷诺数 时具有最大升阻比同时翼型面积基本保持不变 采用 多项式阶数为 则 和(设计变量)共有 个每组新得出的 个变量由 循环到 模块得出新的翼型参数坐标通过编写的 脚本文件在 中自动划分网格 导出网格文件后根据事先编好的 文件 自动读取 文件完成对翼型的流场计算得出升力系数和阻力系数 计算器模块完成升阻比的计算优化后自动清除由 导出的升力系数和阻力系数文件以免下次循环时重复分析上次得出的气动结果 用序列二次规划算法进行寻优完成优化流程如图 所示图 采用序列二次规划算法优化设计流程图.在 翼型优化设计阶段给定翼型优化目标函数其表达式为:(/)时精度基本达到仿真要求阶以后误差趋于稳定可以达到较高的精度)对低雷诺数翼型 优化设计后获得的优化翼型的升阻特性在巡飞条件下得到了有效改善升阻比提高了.提高百分比为.升力系数提高了.提高百分比为.)采用优化翼型的巡飞弹气动性能得到进一步提升升阻比提高了.提高百分比为.升力系数提高了.提高百分比为.满足巡飞弹对于特定翼型的需求为低雷诺数巡飞弹提供理论依据和设计参考参考文献:.:.():.朱志斌刘强白鹏.低雷诺数翼型层流分离现象大涡模拟方法.空气动力学学报():.():./.:./.廖炎平刘莉龙腾.几种翼型参数化方法研究.弹箭与制导学报():.():.():.钱瑞战乔志德宋文萍等.基于 方程和序列二次规划的翼型优化设计.西北工业大学报():.():./.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.“”/.关晓辉李占科宋笔锋.气动外形参数化方法研究.航空学报():.():.():./.卜月鹏宋文萍韩忠华等.基于 参数化方法的翼型气动优化设计.西北工业大学学报():.():.:./.:.李永泽孙传杰卢永刚.巡飞器载重能力与装载火箭弹间匹配关系研究.飞行力学():.():.科学编辑 焦志刚(沈阳理工大学教授)责任编辑 徐佳忆(上接第 页)陈克俊刘鲁华孟云鹤.远程火箭飞行动力学与制导.北京:国防工业出版社:.:.钱杏芳林瑞雄赵亚男.导弹飞行力学.北京:北京理工大学出版社:.:.骆晓臣周长省鞠玉涛.带单锥和双锥混压式进气道的冲压增程弹丸气动特性仿真分析.空气动力学学报():.():.科学编辑 彭双春 博士(国防科技大学高级工程师)责任编辑 杨继森傅 砚等:基于 参数化方法的巡飞弹翼型优化设计