CN114036650B - 非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱，涉及短舱设计技术领域，它包括9个步骤，通过对不同基准面的分别设计形成最终的非轴对称自然层流短舱，基于生成拓扑映射模型，以压力分布为目标，整个步骤使用客观方法实现，不依赖于设计者的经验；通过多个基准面的设计、匹配融合，将非轴对称短舱的三维流动效应贯穿始终；并且所需样本数目少、计算成本低。

Description

非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱
技术领域
本发明涉及层流短舱设计技术领域，具体涉及一种非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱。
背景技术
大涵道比发动机是目前全世界民用客机的主要动力引擎，具有噪声低、燃油效率高、使用寿命长等优点，能提供出色的推质比，在航空运输领域占据主导地位。一般短舱阻力占飞机总阻力的5%左右，而大涵道比发动机短舱由于几何尺寸的增大使其在全机总阻力中所占比重不断增大。巡航状态下，短舱表面的流动分为层流和湍流两种，湍流的摩擦阻力远高于层流的摩擦阻力。因此若能在短舱外表面实现较大范围的层流覆盖，能够有效降低摩擦阻力，节约燃油消耗，提升飞机的经济效益。
现有非轴对称自然层流短舱设计方法分为三大类：
第一，凭借设计者经验，使用参数化造型工具对短舱多个基准面进行造型，借助CFD求解器模拟轴对称层流短舱的气动性能，通过分析相应流场，结合边界层转捩位置及层流区长度，再次对短舱的各个基准面进行修型改进，如此重复，直至获得令设计者满意的层流区范围，最终将各个基准面构型组合形成非轴对称自然层流短舱。这种设计方法过度依赖设计者经验，且需要循环往复的造型，时间成本较高，与轴对称层流短舱相比，由各基准面组合获得的非轴对称短舱的层流范围也会略有损失。
第二，在初始非轴对称短舱外形的基础上，利用优化设计的思想，对非轴对称短舱的多个基准面对应的轴对称短舱进行转捩位置最大化或阻力最小化优化，需要强调的是，优化过程中对各个基准面开展的是二维外形加轴对称边界条件的数值模拟，最终根据各个基准面构型组合获得非轴对称自然层流短舱外形，这种设计方法具备一定的自动化功能，但与第一类方法类似，忽略了非轴对称短舱的三维特性，与轴对称层流短舱相比，由各基准面组合获得的非轴对称短舱的层流范围会略有损失。
第三，利用优化设计的思想，直接对非轴对称短舱进行转捩位置最大化或阻力最小化优化设计。这类方法需要的考虑的设计变量较多，且各设计参数之间相互耦合，无论是使用梯度类优化算法还是无梯度类优化算法，所需样本点数都非常大，计算成本难以接受。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种不过渡依赖设计者经验，通过不同基准面进行形状设计并匹配组合，着重考虑短舱三维特性，所需样本点数量较少的非轴对称自然层流短舱反设计方法及层流短舱。
本发明采用的技术方案如下：
一种非轴对称自然层流短舱反设计方法，包括以下步骤：
步骤1，建立初始非轴对称短舱，记为初始短舱；
步骤2，选择初始短舱的左右或上下两个基准面；
步骤3，针对两个基准面分别选取样本点，对两个基准面分别进行参数化及数值模拟，获得各样本点在相应基准面上的压力分布；
步骤4，构建GTM模型；
步骤5，预设目标压力分布，并寻优，得到最优设计变量对应的非轴对称短舱，记为最优自然层流短舱；
步骤6，对最优自然层流短舱进行CFD校验，若最优自然层流短舱满足要求，则该两个基准面设计结束；若最优自然层流短舱不满足要求，则重复步骤3~步骤5，并在步骤3中重新选取样本点，或在步骤5中重设目标压力分布。
优选的，步骤6后还包括步骤：
步骤7，将满足要求的两个基准面匹配到初始短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第一短舱。
优选的，步骤7后还包括步骤：
步骤8，选择第一短舱上下或左右两个基准面，重复步骤3~步骤6；
步骤9，将满足要求的两个基准面匹配到第一短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第二短舱，第二短舱即为设计得到的非轴对称自然层流短舱。
优选的，步骤6和/或步骤9中“满足要求”的定义为：最优自然层流短舱的压力分布是否接近目标压力分布，以及最优自然层流短舱的层流区是否延长，即转捩位置是否向短舱出口移动。
优选的，步骤6中，根据最优自然层流短舱的压力分布和摩阻系数分布选择重设目标压力分布还是重新选取样本点。
优选的，步骤6或步骤8中，初始短舱左右两个基准面分别为初始短舱90°和270°两个截面，初始短舱上下两个基准面分别为初始短舱0°和180°两个截面。
优选的，步骤3中样本点的选取数量为20个~40个；所述步骤4中GTM模型根据训练数据构建，训练数据为样本点和各样本点在相应基准面上的压力分布。
一种层流短舱，使用上述的非轴对称自然层流短舱反设计方法得到，即第二短舱。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过对不同基准面的分别设计形成最终的非轴对称自然层流短舱，基于生成拓扑映射模型，以压力分布为目标，整个步骤使用客观方法实现，不依赖于设计者的经验；通过多个基准面的设计、匹配融合，将非轴对称短舱的三维流动效应贯穿始终；并且所需样本数目少、计算成本低。
附图说明
图1为非轴对称自然层流短舱反设计方法的流程图。
图2为右基准面，即90°截面设计前后的压力分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图3为右基准面，即90°截面设计前后的摩阻系数分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图4为左基准面，即270°截面设计前后的压力分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图5为左基准面，即270°截面设计前后的摩阻系数分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图6为下基准面，即180°截面设计前后的压力分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图7为下基准面，即180°截面设计前后的摩阻系数分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图8为上基准面，即0°截面设计前后的压力分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
图9为上基准面，即0°截面设计前后的摩阻系数分布对比图及非轴对称自然层流短舱外形对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参看图1，一种非轴对称自然层流短舱反设计方法，设计状态设定为马赫数Ma=0.85，雷诺数Re=3.1×106，初始湍流度Tu=0.1%，攻角α=5°，侧滑角β=0°，转捩模型采用
Figure 874767DEST_PATH_IMAGE001
模型，初始短舱的计算网格节点数为508万。采用自由曲面变形技术（Free FormDeformation，FFD）对初始短舱进行参数化，每个基准面取8个设计变量。
包括以下步骤：
S01：建立初始非轴对称短舱，记为初始短舱；
S02：选择初始短舱的左右两个基准面，分别为初始短舱90°和270°两个截面；
S03：采用拉丁超立方抽样方法针对两个基准面分别选取30个样本点，利用FFD方法对初始短舱进行参数化，使用CFD求解器PMB3D软件或具有相同功能的软件对初始短舱进行数值模拟，获得各样本点在对应基准面上的压力分布；
S04：根据步骤S03获得的训练数据，构建GTM模型，所述训练数据为样本点S和各样本点在相应设计基准面上的压力分布Cp组成的高维数据集{S，Cp}；
S05：预设目标压力分布，根据该目标压力分布，利用全局优化算法进行寻优，GTM模型预测给出最优设计变量，得到最优设计变量对应的非轴对称短舱，记为最优自然层流短舱；
S06：对最优自然层流短舱进行CFD校验，若最优自然层流短舱满足要求，即最优自然层流短舱的压力分布接近目标压力分布，且最优自然层流短舱的层流区延长，则该两个基准面设计结束；若最优自然层流短舱不满足要求，即最优自然层流短舱的压力分布不接近目标压力分布，或最优自然层流短舱的层流区未延长，则重复步骤S03~步骤S05，并在步骤S03中重新选取样本点，或在步骤S05中重设目标压力分布，选择重设目标压力分布还是重新选取样本点根据最优自然层流短舱的压力分布和摩阻系数分布决定；
S07：将满足要求的左右两个基准面分别匹配到初始短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第一短舱；
S08：选择第一短舱上下两个基准面，分别为初始短舱0°和180°两个截面，重复步骤S03~步骤S06；
S09：将满足要求的上下两个基准面分别匹配到第一短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第二短舱，第二短舱即为设计得到的非轴对称自然层流短舱。
一种自然层流短舱，使用上述非轴对称自然层流短舱反设计方法得到。
根据本发明的方法设计出各个基准面，从而匹配形成的非轴对称自然层流短舱，在基准面设计前后进行压力分布、摩阻系数分布、短舱外形的对比：
如图2所示，表示右基准面，即90°截面设计前后的压力分布及外形。其中，实线表示设计后的压力分布图，即设计压力分布；虚线表示设计前的压力分布，即基准压力分布；实心原点表示预设的目标压力分布。图2由三部分组成，最上部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的外表面的压力分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的内表面的压力分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的外形图。由图2能够看出，设计后的压力分布接近目标压力分布，满足要求。
如图3所示，表示右基准面，即90°截面设计前后的摩阻系数分布及外形。其中，实线表示设计后的摩阻系数分布，即设计摩阻系数分布；虚线表示设计前的摩阻系数分布，即基准摩阻系数分布。图3由三部分组成，最上部分，即达到最高点的部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的外表面的摩阻系数分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的内表面的摩阻系数分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱90°截面的外形图。由图3能够看出，设计后的层流区长度从当地弦长的23%延长到26.8%，层流区占总长度的比例为图3中突然上升至最高点的拐点对应的横坐标数值。
如图4所示，表示左基准面，即270°截面设计前后的压力分布及外形。其中，实线表示设计后的压力分布图，即设计压力分布；虚线表示设计前的压力分布，即基准压力分布；实心原点表示预设的目标压力分布。图4由三部分组成，最上部分为设计前后非轴对称短舱270°截面外表面的压力分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱270°截面内表面的压力分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱270°截面的外形图。由图4能够看出，设计后的压力分布接近目标压力分布，满足要求。
如图5所示，表示左基准面，即270°截面设计前后的压力分布及外形。其中，实线表示设计后的摩阻系数分布，即设计摩阻系数分布；虚线表示设计前的摩阻系数分布，即基准摩阻系数分布。图5由三部分组成，最上部分，即达到最高点的部分为设计前后非轴对称短舱270°截面外表面的摩阻系数分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱270°截面内表面的摩阻系数分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱270°截面的外形图。由图5能够看出，设计后的层流区长度从当地弦长的25%延长到29.3%，层流区占总长度的比例为图5中突然上升至最高点的拐点对应的横坐标数值。
如图6所示，表示下基准面，即180°截面设计前后的压力分布及外形。其中，实线表示设计后的压力分布图，即设计压力分布；虚线表示设计前的压力分布，即基准压力分布；实心原点表示预设的目标压力分布。图6由三部分组成，最上部分为设计前后非轴对称短舱180°截面外表面的压力分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱180°截面内表面的压力分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱180°截面外形图。由图6能够看出，设计后的压力分布接近目标压力分布，满足要求。
如图7所示，表示下基准面，即180°截面设计前后的摩阻系数分布及外形。其中，实线表示设计后的摩阻系数分布，即设计摩阻系数分布；虚线表示设计前的摩阻系数分布，即基准摩阻系数分布。图7由三部分组成，最上部分，即达到最高点的部分为设计前后非轴对称短舱180°截面外表面的摩阻系数分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱180°截面内表面的摩阻系数分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱180°截面外形图。由图7能够看出，设计后的层流区长度从当地弦长的28.3%延长到36%，层流区占总长度的比例为图7中突然上升至最高点的拐点对应的横坐标数值。
如图8所示，表示上基准面，即0°截面设计前后的压力分布及外形。其中，实线表示设计后的压力分布图，即设计压力分布；虚线表示设计前的压力分布，即基准压力分布；实心原点表示预设的目标压力分布。图8由三部分组成，最上部分为设计前后非轴对称短舱0°截面外表面的压力分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱0°截面内表面的压力分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱0°截面的外形图。由图8能够看出，设计后的压力分布接近目标压力分布，满足要求。
如图9所示，表示上基准面，即0°截面设计前后的摩阻系数分布及外形。其中，实线表示设计后的摩阻系数分布，即设计摩阻系数分布；虚线表示设计前的摩阻系数分布，即基准摩阻系数分布。图9由三部分组成，最上部分，即达到最高点的部分为设计前后非轴对称短舱0°截面外表面的摩阻系数分布，中间部分为设计前后非轴对称短舱0°截面内表面的摩阻系数分布，最下部分为设计前后非轴对称短舱0°截面的外形图。由图9能够看出，设计后的层流区长度从当地弦长的15.8%延长到18.5%，层流区占总长度的比例为图9中突然上升至最高点的拐点对应的横坐标数值。
由图2至图9可知，本发明的方法能够设计出符合要求的自然层流短舱，正面本发明方法的有效性。
自然层流短舱一般是非轴对称构型，三维特性较强。随着机器学习技术的飞速发展，本发明基于生成拓扑映射（GTM）模型，以压力分布为目标，提出了一种考虑三维流动效应的自然层流短舱的反设计方法，获得了一种非轴对称自然层流短舱的构型。本发明的方法与传统的基于二维或二维假设形式的设计方法相比，在设计过程中充分考虑非轴对称短舱的三维流动效应，组合后形成的非轴对称短舱的层流区不会损失，设计外形的层流区覆盖范围得到有效改善；首次将GTM模型应用于非轴对称自然层流短舱设计，与传统设计方法相比，通过降维技术减少了所需训练样本的数目，降低了计算成本，大大提高了优化效率，更加适用于工程推广；以压力分布为设计目标，而不是以阻力或转捩位置为目标，能够更全面的考虑短舱整体的流动特征，从流动本质出发，实现短舱的自然层流设计，获得的气动性能更加理想。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立初始非轴对称短舱，记为初始短舱；
步骤2，选择初始短舱的左右或上下两个基准面；
步骤3，针对两个基准面分别选取样本点，对两个基准面分别进行参数化及数值模拟，获得各样本点在相应基准面上的压力分布；
步骤4，根据步骤3获得的训练数据，构建GTM模型，所述训练数据为样本点S和各样本点在相应设计基准面上的压力分布Cp组成的高维数据集{S，Cp}；
步骤5，预设目标压力分布，根据该目标压力分布，利用全局优化算法进行寻优，GTM模型预测给出最优设计变量，得到最优设计变量对应的非轴对称短舱，记为最优自然层流短舱；
步骤6，对最优自然层流短舱进行CFD校验，若最优自然层流短舱满足要求，则该两个基准面设计结束；若最优自然层流短舱不满足要求，则重复步骤3~步骤5，并在步骤3中重新选取样本点，或在步骤5中重设目标压力分布。
2.如权利要求1所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤6后还包括步骤：
步骤7，将满足要求的两个基准面匹配到初始短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第一短舱。
3.如权利要求2所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤7后还包括步骤：
步骤8，选择第一短舱上下或左右两个基准面，重复步骤3~步骤6；
步骤9，将满足要求的两个基准面匹配到第一短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第二短舱，第二短舱即为设计得到的非轴对称自然层流短舱。
4.如权利要求3所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤6和/或步骤9中“满足要求”的定义为：最优自然层流短舱的压力分布是否接近目标压力分布，以及最优自然层流短舱的层流区是否延长，即转捩位置是否向短舱出口移动。
5.如权利要求3所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤6中，根据最优自然层流短舱的压力分布和摩阻系数分布选择重设目标压力分布还是重新选取样本点。
6.如权利要求3所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤6或步骤8中，初始短舱左右两个基准面分别为初始短舱90°和270°两个截面，初始短舱上下两个基准面分别为初始短舱0°和180°两个截面。
7.如权利要求1所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法，其特征在于，所述步骤3中样本点的选取数量为20个~40个。
8.一种自然层流短舱，其特征在于，使用如权利要求3~6任一所述的非轴对称自然层流短舱反设计方法得到，即第二短舱。
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