CN110210185B - 一种高超声速隔离段优化设计方法及系统 - Google Patents

一种高超声速隔离段优化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高超声速隔离段优化设计方法及系统,包括:提取进气道出口与燃烧室入口的型线获得隔离段入口与隔离段出口;将隔离段入口划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段入口划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1;获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,整合C ij C i+1)j 得到隔离段入口至隔离段出口的平滑过渡的第j个沿程过渡过渡截面;获取偏置控制线,将所有的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段;将三维变截面弯曲隔离段生成网格后进行循环仿真,采用优化算法调节控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛。有效的解决了现有技术中隔离段优化设计的不足。本发明应用于高超声速发动机技术领域。

Description

一种高超声速隔离段优化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及高超声速发动机技术领域,尤其涉及一种高超声速隔离段优化设计方法及系统。
背景技术
高超声速飞行器是以超燃冲压发动机以及组合发动机为动力,能在大气层和跨大气层中实现高超声速飞行的飞行器。其中隔离段是超燃冲压发动机的重要部件,作用是隔离燃烧室内反压对上游进气道的影响,并容纳激波串,对来流减速加压,提高流场品质。其性能的优劣直接影响到了超燃冲压发动机工作性能。
隔离段按出入口是否偏置可分为等直隔离段和弯曲隔离段。等直隔离段内流场一般比较简单,人们对其中激波,膨胀波以及边界层相互干扰的流动机理认识比较清楚,提出了一些能指导等直隔离段设计的半经验公式。(文献“StructureofShockWavesinCylindri calDucts [J], P.J. Waltrup, F.S. Billig, AIAAJournal, 1973”)
对于弯曲隔离段而言,由于其中复杂的流动现象使其特性偏离了传统的简化模型,具有复杂的三维特征,上述半经验公式并不适用。目前关于弯曲隔离段设计的方法主要有:文献“复杂变截面进气道的一种设计方法[J],周慧晨,航空动力学报,2009”,该文章提出了一种基于曲率控制的截面形状生成与过渡技术,可实现进气道任意进口截面形状向出口圆截面的过渡,为复杂截面变化提供了思路;文献“超声速转弯流道设计方法[P],赵玉新,王振国,赵延辉,梁剑寒,范晓樯,马志成,201210447983.4,2012.11.09”提供了一种超声速转弯流道设计方法,该方法根据流道入口和单边壁面曲线,利用特征线法确定对应于单边壁面曲线的对边壁面曲线,根据出口流场参数确定超声速流道壁面曲线,能够获得全流场为超声速的无激波超声速流道;文献“一种基于几何融合的三维变截面弯曲流道设计方法及装置[P],范晓樯;蒙泽威;王翼;熊冰,陶渊;徐尚成;陆雷;201811037808,2018.12.14”提出了一种基于几何融合的三维弯曲变截面流道设计方法,其优点为能满足入口和出口形状要求,同时也能满足偏置要求。以上的现有方法也具备有较多弊端,比如:
现有优化设计方法中的几何融合方法,待融合截面进行离散获得的离散点的空间位置是唯一确定的,只要融合函数关系一给定,出入口之间各过渡截面上离散点的空间位置也就唯一确定,无法实现最优的设计。
发明内容
针对现有技术中隔离段优化设计的不足,本发明的目的是提供一种高超声速隔离段优化设计方法及系统。
其采用的技术方案是:
一种高超声速隔离段优化设计方法,包括如下步骤:
步骤1,提取进气道出口与燃烧室入口的型线,获得隔离段入口与隔离段出口;
步骤2,根据控制参数将隔离段入口的型线划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段出口的型线划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1,其中,n≥3;
步骤3,获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,即C 1j C 2j C 2j C 3j 、…、C nj C (n+1)j ,整合C 1j C 2j C 2j C 3j C nj C (n+1)j 得到隔离段入口至隔离段出口的平滑过渡的第j个沿程过渡截面f j ,其中,其中i=1,2,nj=1,2,3,
步骤4,获取偏置控制线,将所有的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段;
步骤5,将三维变截面弯曲隔离段生成网格后进行循环仿真,采用优化算法调节控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛。
作为上述技术方案的进一步改进,所述提取进气道出口与燃烧室入口的型线,获得隔离段入口与隔离段出口,具体为:
提取进气道出口与燃烧室入口位于进气道对称面同一侧的型线,获取进气道出口的型线并与对称线组成隔离段入口截面,获取燃烧室入口的型线并与对称线组成隔离段出口截面。
作为上述技术方案的进一步改进,步骤2中,所述根据控制参数将隔离段入口划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段出口划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1,具体为:
以控制参数中的第一比例数a 1a 2a n 将隔离段入口划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1,以控制参数中的第二比例数b 1b 2b n 将隔离段出口划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1
作为上述技术方案的进一步改进,所述获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,具体为:
步骤31,对线段A i A i+1与线段B i B i+1进行数学离散,使得A i A i+1B i B i+1的离散点数目一一对应;
步骤32,通过几何融合算法获取离散后的A i A i+1B i B i+1平滑的第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j ,所述C ij C (i+1)j 的表达式为:
式中,C ij C (i+1)j z l y l )表示第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j 上第l个点的坐标函数,f in z l y l )表示A i A i+1l个点的坐标函数,f out z l y l )表示B i B i+1l个点的坐标函数,x为流线坐标,x in 是流道入口的流线坐标,x out 是流道出口的流线坐标。
作为上述技术方案的进一步改进,所述步骤4具体为:
步骤41,获取过渡截面f j 的缩放因子p j ,并根据缩放因子获得缩放后的过渡截面;
步骤42,获取偏置控制线;
步骤43,将所有缩放后的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段。
作为上述技术方案的进一步改进,所述步骤41具体包括:
获取过渡截面f j 的设计面积A j (x j ),则设计面积A j (x j )满足:,式中,(x j y j z j )为过渡截面f j XYZ轴上的坐标;
根据设计面积A j (x j )的数值迭代,获得缩放因子p j ,最终根据缩放因子获得缩放后的过渡截面。
作为上述技术方案的进一步改进,所述获取偏置控制线,具体为:
在隔离段入口与隔离段出口之间沿偏置控制线的线程上设定五个控制点,根据五个控制点的坐标,获得偏置控制线。
作为上述技术方案的进一步改进,步骤5中,所述仿真优化目标为隔离段出口的总压恢复系数,所述步骤5具体包括:
步骤51,将步骤4中的三维变截面弯曲隔离段参数化生成相应的弯曲隔离段型线;
步骤52,将步骤51生成的弯曲隔离段型线导入网格划分软件生成网格,随后导入仿真软件进行循环仿真;
步骤53,判断隔离段出口的总压恢复系数是否满足收敛条件:
若满足收敛条件则停止循环,并输出变截面弯曲隔离段的最终构型;
若不满足收敛条件则通过优化算法获取新的控制参数后返回步骤51。
作为上述技术方案的进一步改进,步骤53中,所述优化算法为多岛遗传算法。
一种高超声速隔离段优化设计系统,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明的有益技术效果:
本发明通过控制参数将隔离段入口与隔离段出口分为数段,并且以控制参数中的第一比例数与第二比例数来改变隔离段入口与隔离段出口中各分段的长度比例,使得弯曲隔离段沿程截面形状随着第一比例数与第二比例数的更换而灵活改变,使得待融合截面进行离散获得的离散点的空间位置是唯一确定的,最终在仿真过程中通过优化算法调节控制参数的取值,其获取过程简单,在大大丰富曲隔离段形状设计空间样本的种类的同时有效的提高了优化设计的效率。
附图说明
图1是本实施例中弯曲隔离段的构型图;
图2是本实施例中高超声速隔离段优化设计方法的流程示意图;
图3是本实施例中隔离段入口与隔离段出口的型线结构示意图;
图4是本实施例中隔离段入口与隔离段出口各分段的离散示意图;
图5是本实施例中隔离段入口与隔离段出口的形心重合示意图;
图6是本实施例中获得三维变截面弯曲隔离段的流程示意图;
图7是本实施例中偏置控制线的结构示意图;
图8是本实施例中优化仿真流程示意图;
图9是本实施例中弯曲隔离段的线性示意图;
图10是本实施例中各控制参数的变化示意图;
图11是本实施例中目标函数的迭代历史图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本实施例中以工程研究中某弯曲隔离段的优化设计为例对本发明进行论述,其初始构型如图1所示,其中,Inlet为进气道,Outlet为燃烧室。
如图2所示的一种高超声速隔离段优化设计方法,包括如下步骤:
201,根据超燃冲压发动机中的进气道与燃烧室提取进气道出口与燃烧室入口的型线,获得隔离段入口与隔离段出口;
202,根据控制参数将隔离段入口的型线划分为线段A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段出的型线口划分为线段B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1,其中,n表示将隔离段入口的型线或隔离段出口的型线划分的段数,控制参数用于控制隔离段入口的型线或隔离段出口的型线在划分结束后所形成的线段之间的长度比例,n≥3;
203,获取线段A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,即C 1j C 2j C 2j C 3j 、…、C nj C (n+1)j ,整合C 1j C 2j C 2j C 3j C nj C (n+1)j 得到隔离段入口至隔离段出口的平滑过渡的第j个沿程过渡截面f j ,其中,其中i=1,2,nj=1,2,3,
204,获取偏置控制线,将所有的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段;
204,将三维变截面弯曲隔离段生成网格后进行循环仿真,采用优化算法调节控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛。
在201中,由于超燃冲压发动机的进气道、隔离段与燃烧室均为对称结构,因此可以只提取进气道出口与燃烧室入口位于进气道对称面同一侧的型线,即图3中的弧线,随后将获取进气道出口的型线并与对称线组成隔离段入口截面,获取燃烧室入口的型线并与对称线组成隔离段出口截面,对称线即为图3中与y轴平行的线。可以有效的减少优化设计过程中的计算量,进而提升后续过程中循环仿真的速度。
在202中,将隔离段入口的型线划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1具体为:将隔离段入口的型线沿从进气道到燃烧室方向的顺时针依次划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1;将隔离段出口的型线划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1具体为:将隔离段出口的型线沿从进气道到燃烧室方向的顺时针依次划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1
在202中,所述根据控制参数将隔离段入口的型线划分为线段A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段出口的型线划分为线段B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1,其中,n≥3,具体为:以控制参数中的第一比例数L 1a 1a 2a n 将隔离段入口划分为长度比例为a 1a 2a n A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1,以控制参数中的第二比例数L 2b 1b 2b n 将隔离段出口划分为长度比例为b 1b 2b n B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1。如图3所示,本实施例中以第一比例数a 1a 2a 3将隔离段入口划分为A 1 A 2A 2 A 3A 3 A 4,第二比例数b 1b 2b 3将隔离段出口划分为B 1 B 2B 2 B 3B 3 B 4;以控制参数中的第一比例数与第二比例数来改变隔离段入口与隔离段出口中各分段的长度比例,使得弯曲隔离段沿程截面形状随着第一比例数与第二比例数的更换而灵活改变,使得待融合截面进行离散获得的离散点的空间位置是唯一确定的,最终在仿真过程中通过优化算法调节控制参数的取值,其获取过程简单,在大大丰富曲隔离段形状设计空间样本的种类的同时有效的提高了优化设计的效率。
在203中,获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j 的理论依据文献“AProcedurefor DesigningForebodieswithConstraintsonCross-Cross-sectionShapeandAxial AreaDistribution[J] ,Barger ,R .L , NASA-TP-1881 ,1981”给出的几何融合公式,可通过数学函数变换将两者平滑过渡:对于给定的入口和出口,首先将两者平移使形心位于坐标中且重合,然后将其进行数学离散,即如图5所示,随后选取对应的点,获得过渡截面,具体为:
对线段A 1 A 2A 2 A 3A 3 A 4B 1 B 2B 2 B 3B 3 B 4分别进行数学离散,使得A 1 A 2B 1 B 2A 2 A 3B 2 B 3A 3 A 4B 3 B 4的离散点数目一一对应,如图4-5所示;
通过几何融合算法获取离散后的A i A i+1B i B i+1平滑的第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j ,所述C ij C (i+1)j 的表达式为:
式中,C ij C (i+1)j z l y l )表示第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j 上第l个点的坐标函数,f in z l y l )表示A i A i+1l个点的坐标函数,f out z l y l )表示B i B i+1l个点的坐标函数,x为流线坐标,x in 是流道入口的流线坐标,x out 是流道出口的流线坐标。
参考图6,在204中,具体包括:
401,获取过渡截面f j 的缩放因子p j ,并根据缩放因子获得缩放后的过渡截面;
402,获取偏置控制线;
403,将所有缩放后的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段。
在401中,采用专利CN 108999845 A所公开的缩放因子p j 以及缩放后的过渡截面求取方式,由于上述过程中获取了过渡截面f j ,但是过渡截面面积并不满足要求,按照设计要求,过渡截面f j 的设计面积A j (x j ),则设计面积A j (x j )满足:,式中,(x j y j z j )为过渡截面f j XYZ轴上的坐标;根据设计面积A j (x j )的数值迭代,获得缩放因子p j ,最终根据缩放因子获得缩放后的过渡截面。
参考图7,在402中,所述根据控制参数生成偏置控制线具体为:在隔离段入口与隔离段出口之间沿偏置控制线的线程上设定五个控制点,根据五个控制点的坐标获得偏置控制线。
偏置控制线的定义为每个离散截面参考点的位置,当该截面为几何对称截面时,偏置控制线可以是中心线。如图7所示,本实施例中,采用B样条曲线来实现获取偏置控制线,第一个控制点与第五个控制点分别为隔离段入口的中心与隔离段出口的中心,均为固定点,本实施例中限定偏置控制线的两端与水平相切,因此第二个控制点与第四个控制点只能在左右移动,因此第二个控制点的变量为横坐标x 1,第四个控制点的变量为纵坐标x 2,限定位于中间的第三个控制点只能上下移动以减少变量数,因此第二个控制点的变量为纵坐标y 1,这里x 1x 2y 1均为控制参数中的变量,通过在最终的优化过程中改变x 1x 2y 1的取值同样能够达到改变隔离段构型的效果。
参考图8,在205中,优化目标选取的是隔离段出口相对于隔离段入口的总压恢复系数,用符号表示。总压恢复系数对推进系统的压缩部件来说,是一个普遍接受的性能度量,它能准确衡量流动过程流动损失的大小,总压恢复系数越大,流动损失越小;反之,流动损失越大;步骤5具体包括:
601,将204中生成的三维变截面弯曲隔离段参数化生成相应的弯曲隔离段型线,如图9所示;
602,将601中生成的弯曲隔离段型线导入网格划分软件生成网格,随后导入仿真软件进行循环仿真,其中,网格划分软件采用Pointwise软件,仿真软件采用Fluent
利用Pointwise软件中的自编脚本完成弯曲隔离段型线网格的生成,在提高工作效率的同时避免人为因素对网格的影响,保证每次生成的网格质量,排除网格对最后计算精度的影响;
603,判断隔离段出口的总压恢复系数是否满足收敛条件:
604,若满足收敛条件则停止循环,并输出变截面弯曲隔离段的最终构型;
605,若不满足收敛条件则通过优化算法获取新的控制参数后返回601。
本实施例中,Fluent计算结果均通过求解三维可压缩雷诺平均的N-S方程获得,采用基于密度的隐式求解器,方程时间空间离散,时间推进采取隐式时间积分法,空间差分采用二阶迎风格式,湍流模型采用剪切雷诺输运两方程模型(SSTk-ω)。入口边界条件设为压力入口,总压为154.38kPa,静压为97.499kPa,总温为1677.6K,方向垂直于入口法向,出口条件设为压力出口,反压为100Pa,壁面设为绝热壁。
在605中,优化算法为多岛遗传算法,具有比传统遗传算法更优良的全局求解能力和计算效率。优化目标选取的是隔离段出口相对于入口的总压恢复系数,用符号表示。总压恢复系数对推进系统的压缩部件来说,是一个普遍接受的性能度量,它能准确衡量流动过程流动损失的大小,总压恢复系数越大,流动损失越小;反之,流动损失越大。
如图10所示的是本实施例中的各控制参数的变化示意图,图11所示的是目标函数的迭代历史图。从图10-11中可以看到各控制参数的在各自给定区间中分布比较广泛,并且最终收敛时也没有固定到某一值,而是在一个比较小的区间波动。并且对于目标函数来说,取到最大值时变量有多种组合方式,并且在设计空间分布较广,这说明本次优化没有陷入局部最优的陷阱。从图11可以观察到总压恢复系数在150步左右时就基本收敛,并且在剩下的迭代过程中最大值基本稳定,维持在0.82左右。优化构型的总压恢复系数相比于优化前的原始隔离段的总压恢复系数0.73提升了12.3%,优化效果十分理想。
以上包含了本发明优选实施例的说明,这是为了详细说明本发明的技术特征,并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中,依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定,而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (9)

1.一种高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,提取进气道出口与燃烧室入口的型线,获得隔离段入口与隔离段出口;
步骤2,根据控制参数将隔离段入口的型线划分为A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1、将隔离段出口的型线划分为B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1,其中,n≥3;具体为:
以控制参数中的第一比例数将隔离段入口划分为长度比例为a 1a 2a n A 1 A 2A 2 A 3A n A n+1,以控制参数中的第二比例数将隔离段出口划分为长度比例b 1b 2b n B 1 B 2B 2 B 3B n B n+1;
步骤3,获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,即C 1j C 2j C 2j C 3j 、…、C nj C (n+1)j ,整合C 1j C 2j C 2j C 3j C nj C (n+1)j 得到隔离段入口至隔离段出口的平滑过渡的第j个沿程过渡截面f j ,其中i=1,2,nj=1,2,3,
步骤4,获取偏置控制线,将所有的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段;
步骤5,将三维变截面弯曲隔离段生成网格后进行循环仿真,采用优化算法调节控制参数的取值直至仿真优化目标达到收敛。
2.根据权利要求1所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,所述提取进气道出口与燃烧室入口的型线,获得隔离段入口与隔离段出口,具体为:
提取进气道出口与燃烧室入口位于进气道对称面同一侧的型线,获取进气道出口的型线并与对称线组成隔离段入口截面,获取燃烧室入口的型线并与对称线组成隔离段出口截面。
3.根据权利要求1所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,步骤3中,所述获取A i A i+1B i B i+1平滑过渡的第j个沿程过渡型线C ij C i+1)j ,具体为:
步骤31,对线段A i A i+1与线段B i B i+1进行数学离散,使得A i A i+1B i B i+1的离散点数目一一对应;
步骤32,通过几何融合算法获取离散后的A i A i+1B i B i+1平滑的第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j ,所述C ij C (i+1)j 的表达式为:
式中,C ij C (i+1)j z l y l )表示第j个沿程过渡型线C ij C (i+1)j 上第l个点的坐标函数,f in z l y l )表示A i A i+1l个点的坐标函数,f out z l y l )表示B i B i+1l个点的坐标函数,x为流线坐标,x in 是流道入口的流线坐标,x out 是流道出口的流线坐标。
4.根据权利要求1所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,所述步骤4具体为:
步骤41,获取过渡截面f j 的缩放因子p j ,并根据缩放因子获得缩放后的过渡截面;
步骤42,获取偏置控制线;
步骤43,将所有缩放后的过渡截面装配到偏置控制线中对应的偏置点上,获得三维变截面弯曲隔离段。
5.根据权利要求4所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,所述步骤41具体包括:
获取过渡截面f j 的设计面积A j (x j ),则设计面积A j (x j )满足:,式中,(x j y j z j )为过渡截面f j XYZ轴上的坐标,p j 为缩放因子;
根据设计面积A j (x j )的数值迭代,获得缩放因子p j ,最终根据缩放因子获得缩放后的过渡截面。
6.根据权利要求4所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,所述获取偏置控制线,具体为:
在隔离段入口与隔离段出口之间沿偏置控制线的线程上设定五个控制点,根据五个控制点的坐标获得偏置控制线。
7.根据权利要求1所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,步骤5中,所述仿真优化目标为隔离段出口的总压恢复系数,所述步骤5具体包括:
步骤51,将步骤4中的三维变截面弯曲隔离段参数化生成相应的弯曲隔离段型线;
步骤52,将步骤51生成的弯曲隔离段型线导入网格划分软件生成网格,随后导入仿真软件进行循环仿真;
步骤53,判断隔离段出口的总压恢复系数是否满足收敛条件:
若满足收敛条件则停止循环,并输出变截面弯曲隔离段的最终构型;
若不满足收敛条件则通过优化算法获取新的控制参数后返回步骤51。
8.根据权利要求7所述高超声速隔离段优化设计方法,其特征在于,步骤53中,所述优化算法为多岛遗传算法。
9.一种高超声速隔离段优化设计系统,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
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