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【6h】

基于守恒型嵌合体技术的民机三维增升装置气动遗传优化设计

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摘要

增升装置的气动性能的细微改变可能会造成飞机操纵性能以及气动效率的显著变化，从而直接影响到飞机的运营成本，因此增升装置的设计在飞机设计过程中占有重要地位。
　　 本文以目前在研的民用大型客机为背景，围绕三维增升装置气动分析及设计问题，重点开展了三维增升装置复杂网格自动化生成、流场建模及数值求解以及多段翼型和三维增升装置的遗传优化设计等内容。研究表明所获得的最终优化构型较于初始构型，在保证升阻比L/D的前提下，其最大升力系数CLmax有明显提高。
　　 具体而言，本文研究工作及研究成果包括如下几个方面：
　　 (1)由于低速绕流特性，使得流场控制方程的刚性大大增强，导致计算收敛性能大大削弱。本文通过在控制方程时间导数项左乘Turkel预处理矩阵，详细推导了适用于不同时间推进格式以及空间离散格式的低速预处理过程。研究表明上述处理方式有效改善了控制方程在低马赫数计算时所面临的系统刚性和条件数等问题，起到了加速收敛的作用。
　　 (2)在对增升装置缝道参数进行遗传优化过程中，许多部件不用发生改变，只有前后缘装置相对主翼有个相对运动，因此嵌套网格十分适用。本文针对增升装置特殊的几何构型，采用嵌合体技术和双曲型网格生成方法对每个部件网格进行单独生成。针对某些非常复杂的几何部位，如襟翼舱网格、剪刀差以及翼尖端面处的网格等，本文采用点对点搭接的方式进行处理。通过对二维多段翼型及三维复杂增升构型的具体网格生成，研究表明以上方式可以有效降低三维增升装置网格生成的复杂度，同时所获得的贴体结构化网格具有较高的网格质量。根据以上设计思路，本文开发了基于嵌合体技术的三维增升装置复杂网格自动化生成软件HLGRID3D，并将其应用于后续的优化过程中。
　　 (3)传统嵌合体技术在各子域流场信息交互过程中未能保持全场通量守恒的特性。为克服以上问题，本文采用具有全场质量通量守恒特性的MFBI2算法，改进发展了传统嵌合体技术，同时根据预处理过程所获得的结论，针对通过HLGRID3D软件所获得的网格，自主开发了对应的计算程序，并基于该程序求解了多个典型的二维及三维增升装置的复杂流场。研究表明基于具有质量通量守恒特性的嵌合体技术所获得的计算结果精度优于基于传统嵌合体技术所获得计算结果。
　　 (4)为保证三维增升装置起飞着陆状态下的安全性能，本文对三维增升装置大迎角下的升力系数为目标，以升阻比作为优化约束条件，对最大升力系数CLmax进行了分段遗传优化设计。在优化过程中，为提高优化效率，加速优化收敛过程同时克服标准遗传优化时出现的Hamming悬崖问题，本文采用分段进化的遗传优化方式，再结合守恒型嵌合体求解技术以及HLGRID3D网格生成软件，对多段翼型和三维增升装置缝道参数作了遗传优化设计。最终所获得优化构型较于初始构型其最大升力系数具有明显的提高。

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