[发明专利]一种并行同步扰动随机近似的气动优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及并行的随机优化算法，具体是并行同步扰动随机近似优化方法，应用于气动外形优化设计，尤其是翼型减阻设计、叶栅设计及其反设计。

背景技术

气动外形优化设计是指在给定的某些约束条件下，寻找最优的气动外形，在可能的范围内极大化提高飞行器的气动性能和巡航效率。对于飞行器而已，机翼是主要升力面，也是影响气动性能的最主要部件，因此机翼的气动力是影响飞行器性能的主要因素。目前，针对各种飞行状态下，如何设计机翼使得其具有更优异的气动性能一直是研究的热点。传统的外形设计方法主要是根据经验和实验，每次设计一个新外形，都需要风洞实验或者计算来验证分析，进而修改外形。现代飞行器的外形以及绕流流场越来越复杂，对机翼的气动性能要求也越来越高，传统的方法无法胜任这些要求，这要求新的高效快速气动优化算法出现。

气动外形优化是一个极多控制参数，一般设计变量是几十个，甚至上百个，而且需要求解绕流流场，其控制方程是欧拉方程，或者更为复杂的NS方程，采用传统的优化方法，需要计算目标对于每一个设计变量的梯度，采用差分计算的话，需要多次计算扰动每个设计变量之后对于外形的流场，这个计算量是巨大的。目前，主要有基于伴随的气动优化方法，每次优化需要计算一次流场，然后计算一次伴随方程得到目标关于设计变量的导数，然后更新设计变量，该方法的缺点在于一旦更换目标约束，那么整个伴随方程都需要重新推导，不具有通用性；此外，粒子群法、遗传算法、模拟退火等现在优化算法也在气动优化中有了应用，同步扰动随机近似是一种随机优化算法，适用于多参数的优化问题中，每一次迭代，对初始设计变量进行同步扰动，然后计算两次目标函数值获得一个近似梯度，从而更新设计变量，该方法易于实现，具有通用性，特别适用于复杂的多参数优化问题。

发明内容

为了解决同步扰动随机近似优化方法在气动优化设计中的效率问题，本发明提供了一种并行的同步扰动随机近似优化设计算法。

本发明的原理是通过并行的多进程实施同步扰动随机近似的寻优过程，同时保证每个进程的同步扰动量是独立随机的，从而使得每个进程上得到的当前最优解是互异的，充分搜寻可能的设计变量，最后比较每个进程上得到的目标值，将得到的最优解以及相应的设计变量通过消息传递到发送到其他进程，作为下一寻优的初始值，如此循环，直到满足迭代停止条件。

本发明对于流程图如图1所示，解决技术问题所采用的详细技术方案如下：

A、初始化：

给定优化设计的目标函数I，目标一般是气动参数，比如阻力系数等，根据参数化方法以及初始外形给出初始设计变量X₀，并计算初始流场U₀，从而得到初始目标值q₀，启动并行环境，将X₀，U₀，q₀通过消息传递方式广播到每个处理器上的进程；

B、在每个进程上均实施以下同步扰动随机近似优化方法：

以毫秒对应时间作为生成随机数种子生成独立地服从±1伯努利分布的随机变量Δ_k，对设计变量进行同步扰动：根据扰动后的设计变量来计算近似梯度：