【摘要】：氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門研究利用數(shù)值方法對(duì)飛行器氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化以提高其氣動(dòng)性能的學(xué)科,是飛行器設(shè)計(jì)中非常重要的組成部分。隨著飛行器設(shè)計(jì)要求的不斷增加以及性能目標(biāo)的不斷提高,飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法也需要更精細(xì)更高效,因此需要對(duì)飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和創(chuàng)新,建立高效可靠的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,針對(duì)現(xiàn)有的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法,從面向?qū)嶋H工程設(shè)計(jì)要求中存在的一些基礎(chǔ)問(wèn)題出發(fā),本文構(gòu)建了一套高效可靠通用的基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可對(duì)定常單目標(biāo)、定常多目標(biāo)、非定常單目標(biāo)及非定常多目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解,并利用該方法對(duì)工程優(yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用進(jìn)行了研究。論文的主要工作如下:1.基于定常氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的連續(xù)伴隨方程,將其推廣至非定常氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解中。通過(guò)算例對(duì)比了連續(xù)伴隨方程與有限差分法計(jì)算氣動(dòng)函數(shù)導(dǎo)數(shù)的結(jié)果,展示了構(gòu)建的連續(xù)伴隨方法求解梯度的可靠性和高效性。2.基于SLSQP序列二次規(guī)劃法及連續(xù)伴隨方程構(gòu)建了基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在SLSQP序列二次規(guī)劃中,將有約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題在每一個(gè)迭代步上轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃子問(wèn)題。進(jìn)一步結(jié)合CFD流場(chǎng)求解、Hicks-Henne二維參數(shù)方法及FFD三維外形參數(shù)化方法、網(wǎng)格變形算法及連續(xù)伴隨方程求解梯度等模塊,構(gòu)建了基于連續(xù)伴隨方法的單目標(biāo)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。3.將Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法相結(jié)合,發(fā)展了具備定常單目標(biāo)、定常多目標(biāo)、非定常單目標(biāo)及非定常多目標(biāo)優(yōu)化能力的飛行器高保真度氣動(dòng)外形優(yōu)化方法。在該方法中,將Stackelberg博弈作為頂層優(yōu)化算法,使其領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者輪流通過(guò)調(diào)整其設(shè)計(jì)變量使其目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。其中每個(gè)參與者的優(yōu)化采用基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者的目標(biāo)函數(shù)不同時(shí),該算法可以用于求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,當(dāng)其目標(biāo)函數(shù)相同時(shí),該算法還可以用于求解單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。4.考慮到在利用基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)氣動(dòng)優(yōu)化工程問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí),往往牽涉到目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的分配,每個(gè)參與者優(yōu)化過(guò)程中迭代次數(shù)的取值等問(wèn)題。本文對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究,以優(yōu)化結(jié)果和優(yōu)化效率為指標(biāo),得到了幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)取值的規(guī)律:將優(yōu)先級(jí)較高的目標(biāo)函數(shù)分配給領(lǐng)導(dǎo)者;在對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行分裂時(shí),應(yīng)保持每個(gè)子集的設(shè)計(jì)變量所形成的外形的幾何連續(xù)性;將對(duì)目標(biāo)函數(shù)更敏感,影響更大的設(shè)計(jì)變量分配給領(lǐng)導(dǎo)者;選擇適中或偏大的參與者優(yōu)化周期來(lái)快速地獲得滿意的優(yōu)化結(jié)果。5.應(yīng)用基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,基于關(guān)鍵參數(shù)的取值規(guī)律,開(kāi)展了定常流動(dòng)下的工程優(yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用研究,分別對(duì)RAE2822翼型、ONERA M6機(jī)翼和CRM構(gòu)型進(jìn)行了定常單目標(biāo)和定常多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效并高效地對(duì)定常單目標(biāo)和定常多目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化,并展示了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置原則的有效性。6.基于Stackelberg博弈與連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開(kāi)展了非定常流動(dòng)下的工程優(yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用研究。對(duì)NACA 64A010翼型進(jìn)行了非定常單目標(biāo)和非定常多目標(biāo)優(yōu)化,并基于動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解對(duì)優(yōu)化前后的流場(chǎng)進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析。展示了該優(yōu)化方法進(jìn)行非定常單目標(biāo)和多目標(biāo)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性及高效性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V221.3
【圖文】：

格心有限體積法將網(wǎng)格單元直接作為控制體，將變量存儲(chǔ)在網(wǎng)格的中心。格點(diǎn)逡逑有限體積法將變量存儲(chǔ)在網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)上，控制體由節(jié)點(diǎn)鄰近邊的中點(diǎn)和鄰近單元的中逡逑心依次相連構(gòu)成（如圖２－１所示）。本文采用格點(diǎn)有限體積法在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上對(duì)控制方程進(jìn)逡逑行空間離散。逡逑將微分形式的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程在控制體上進(jìn)行面積分或體積分，通過(guò)高斯定理和積逡逑分計(jì)算方法，得到式（６－１５）的積分形式如下：逡逑ｆ邋＾§－ｄｎ＋邋ｆ邋｛Ｆｃ邋－邋Ｆｖ）－ｎｄｓ邋＝邋０邐（２－１６）逡逑Ｊｎｔ邋ｄｔ邋ＪｄＱｉ逡逑其中，戶”邋＝ｆ邋十＃’２�！�。對(duì)上式進(jìn)行半離散，得到如下形式的方程：逡逑［＾ｄｎ＋邋Ｅ（＾＇邋＋邋＾）Ａ＾＝邋／邋￣ｄｎ邋＋邋Ｒｌ｛Ｑ）邋＝邋０邐（２－１７）逡逑其中，＆及月＾分別表示邊勿邋＋的無(wú)粘通量及粘性通量的近似值，負(fù)（Ｑ）為通過(guò)該控制體的逡逑通量所組成的殘差項(xiàng)，Ａ表示節(jié)點(diǎn)ｉ所在的控制體，Ａ／■⑷表示節(jié)點(diǎn)ｉ周邊鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，逡逑△５＾表示邊對(duì)應(yīng)面的面積。逡逑２．３．１無(wú)粘通量離散逡逑采用不同的方法對(duì)控制方程中的無(wú)粘通量項(xiàng)進(jìn)行離散，可得到不同的空間離散格式。用逡逑于有限體積離散中的無(wú)粘通量計(jì)算方法主要分為中心格式和上風(fēng)格式。中心格式主要將控逡逑１８逡逑

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文邐２流動(dòng)控制方程及數(shù)值求解逡逑２）將物理量和殘差插值到粗網(wǎng)格得到：其中為流場(chǎng)解向量從細(xì)網(wǎng)逡逑格插值到粗網(wǎng)格的限制算子。逡逑３）利用粗網(wǎng)格上的物理量計(jì)算粗網(wǎng)格上的殘差ｉ？￡｝。然后計(jì)算該殘差與細(xì)網(wǎng)格上逡逑的殘差之差：（ｑｆ）２／１＝／ｆ邋ｆｌｒ１—丑Ｓ？。逡逑４）在粗網(wǎng)格上進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解￥Ｑ２／ｌ邋＝—是（Ｑr潰澹ǎ眩疲�；e�，其中０３尸Ｚw諭平義銑討斜３植槐�。推进数各c硬膠�，得滇u滯襠系奈錮砹浚眩紓�。辶x希擔(dān)┘撲憒滯襠銜錮砹康男拚浚跡擔(dān)眩玻戾澹藉澹眩紓卞濉褰瞇拚坎逯檔較竿�，紦溷辶x銑魷竿襠銜錮砹康男輪擔(dān)藉澹跡地卞澹渲形鞒〗庀蛄康男拚看喲滯皴義喜逯檔較竿竦難由燜闋�。辶x顯謔導(dǎo)什僮髦�，多众I窨梢圓恢掛恢�，可覄蚶_跡玻菜舊柚萌鼗蛘吒�，磦蝤形辶x銑剎煌畝嘀贗癲唄浴８荽滯窈兔芡裰淶絞降牟煌�，可以分为Ｖ型多众I義細(xì)窈停仔投嘀贗瘢郟玻保渲瀉諫檔惚硎鞠拗撲闋幼饔彌暗牡劍招腦踩Ρ硎狙渝義仙燜闋幼饔彌蟮氖奔洳�。本文X冢茫疲募撲愎討脅捎萌兀仔投嘀贗癲唄�。辶x希彥濉澹楨澹�？逦Ｏ邋—邋E濉義

本文編號(hào)：2739166