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基于先进CFD方法的民用客机气动优化设计

张宇飞  
【摘要】:机翼是民用客机最重要的气动部件,其性能直接影响飞机的经济性、环保性、安全性和舒适性。我国正在研制的大型民用客机想要在未来取得市场成功,必须在设计手段和设计思想上进行突破与创新。本文结合大型客机气动设计实践,发展了基于先进CFD方法的优化设计平台,提炼了气动设计思想,研究了关键流动现象,最终得出了工程适用的机翼、一体化与多段翼型设计方案。 本论文提出了一种气动优化平台的搭建方法,认为寻求速度与精度、人工经验与数值优化、部件设计与整体设计、全局优化与局部寻优四个方面的矛盾统一是保证平台工程实用性的关键;发展了超临界压力分布形态约束的数字化定义和基于NURBS曲线的增量修型方法,实现了人工经验与自动优化的融合。 本论文发展了高精度守恒重映方法,对优化平台的CFD工具NSAWET程序的窗口嵌入网格计算方法进行了改进,使非点对点搭接网格界面的流场信息传递更加精确,并应用多个标准算例对NSAWET程序进行了较为全面的验证。 本论文较为系统地研究了三种超临界机翼压力分布形态的特性,认为对所设计类型飞机的机翼,若要同时保证良好巡航点和非设计点性能,必须使压力分布具有激波位置比超临界翼型稍微偏前的弱激波形态;应用RANS模拟结合遗传算法对大型民用客机进行了超临界机翼优化设计实践。结果表明多点优化是提高机翼方案实用性的有效方法。以巡航性能和阻力发散性能为目标的两点优化获得了工程实用性最优的设计方案。风洞试验结果与设计结果良好吻合。 本论文完成了机翼/发动机一体化优化设计,研究了发动机安装位置和偏角对气动性能影响,并考虑了发动机影响进行机翼优化设计。研究发现,发动机短舱影响主要体现在减小了机翼中段的局部攻角。通过单点优化证明了无激波设计相对于弱激波设计减阻空间很小(约1count),且鲁棒性不可接受。通过两点优化得到了弱激波形态的实用机翼方案,进一步结合非设计点的人工修型,本工作得到最终设计方案。对比计算表明,设计方案的气动性能优于同类机型。 本论文还研究了缝道参数和剖分形状对多段翼型性能的影响。分析了多段翼型升力曲线在失速攻角前出现非线性上扬的机理,认为缝道射流与后缘旋涡的竞争是导致升力线是否出现上扬的原因,并通过多点优化克服了这一问题。


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