[发明专利]基于离散伴随的层流翼型优化方法

说明书

本发明公开了一种基于离散伴随的层流翼型优化方法，方法中，通过自由变形参数化方法实现层流翼的几何参数化,基于逆距离权重的动网格通过给定的表面网格和对应的变形几何，计算每个网格变化前后的法向扭转角和对应的平移距离，从而获得变形后的空间网格；耦合基于简化esupgt;N/supgt;方法的转捩预测方法和基于Spalart‑Allmaras一方程湍流模型的RANS方程求解流场状态变量Q和转捩位置状态变量Tsubgt;r/subgt;；通过基于RANS‑BLCode‑AFM转捩预测方法的耦合伴随方程求解各状态变量相对于设计变量的梯度，通过序列二次规划算法，根据所述梯度判断优化是否收敛，若未收敛，根据所述梯度确定下一步优化的设计变量值，然后重复直到收敛。

技术领域

本发明属于航天航空技术领域，特别是一种基于离散伴随的层流翼型优化方法。

背景技术

燃油成本占当今商用飞机运营成本的很大一部分，减少燃油消耗能极大地提高民机的经济性，因此提高飞机燃油效率一直是一个重大挑战。研究表明对于常规布局，层流机翼技术能大约减阻10％，对应减少5％的燃油消耗，巨大的减阻潜力使其成为航空领域的研究热点。相比传统的机翼气动外形优化，层流翼气动外形优化需要同时在层流区域和激波控制之间权衡，因此更加复杂。为了能预测出准确的转捩位置，需要采用更高精度的CFD求解器以及合适的湍流模型。因此，高可信度转捩预测方法和高效、鲁棒、精确的考虑转捩的耦合离散伴随方法，是发展层流翼梯度优化设计方法的关键之一。

通常在中小后掠角(20°)/中低雷诺数(≤20×10⁶)条件下，层流翼的转捩主要是由TS波扰动和分离流失稳主导的，这与二维翼型的层流转捩物理现象相似。因此，发展一种基于离散伴随的层流翼型优化设计方法具有重要意义。

受制于层流到湍流转捩以及考虑转捩的耦合伴随方程构造与求解的复杂性，目前基于离散伴随的气动优化方法的应用主要集中在全湍流问题，针对层流翼型的优化设计，基于离散伴随的理论研究较少，发展还远不完善。目前考虑转捩的耦合伴随方程主要存在两大问题：冻结转捩模块，忽略转捩模块对梯度的影响；组装耦合伴随方程的偏导数矩阵时，采用了依赖于设计问题维度的有限差分或者复变量微分，降低了梯度求解效率和精度。

考虑到开发难度、可移植性以及拓展性要求，国际上针对基于离散伴随的梯度求解，开发了不同的自动微分工具进行偏导数求解。但是，自动微分工具有使用限制，如Tapenade在涉及MPI并行/串行交互计算等问题时失效，需要结合人工手动推导微分程序。同时，自动微分程序直接对应的微分代码，往往效率较低，需结合人工模块化处理，来提高偏导数的计算效率。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于离散伴随的层流翼型优化方法，其特征在于，其包括以下步骤，

步骤S1：通过自由变形参数化方法实现层流翼的几何参数化,包括：建立自由变形参数化方法的控制框和物面的映射关系；针对层流翼的第一几何外形，利用自由变形控制点改变所述第一几何外形以获得变形后的层流翼的第二几何外形，其中，所述控制点在某个维度上对应的变化量为设计变量；

步骤S2：基于逆距离权重的动网格技术，分别对所述第一几何外形和第二几何外形进行处理，以获得对应的第一表面网格和变形后的第二表面网格，并计算第一表面网格因变形而导致的法向扭转角和对应的平移距离，从而获得变形后的空间网格；

步骤S3：基于简化e^N方法的转捩预测方法和基于Spalart-Allmaras一方程湍流模型的RANS方程，以变形后的空间网格作为几何输入量，并基于给定的状态输入量，求解流场状态变量Q和转捩位置状态变量T_r；