[发明专利]基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法

说明书

技术领域

本发明属于飞机油箱内隔板串油孔布局设计领域，具体涉及基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法。

技术背景

为了在不破坏气动结构的基础上提升飞机续航能力，设计师们往往选择将结构形状复杂、空间可利用性较差的部分作为燃油存放区域，其中最为典型的即为机翼油箱布局；为了在飞行过程中抑制油体运动，方便油量测定，提高结构强度，油箱中一般会设置若干隔板；同时为降低飞机质量，方便人工检修，使得大过载运动后油体质心尽快恢复至平衡状态，油箱隔板需开孔以保证各个隔舱间的连通；传统设计方案中通常不考虑油体流动问题，串油孔极大，串油性能过度冗余，既降低了对油体波动的抑制，对大飞机动辄数十吨的燃油而言意味着飞行稳定性严重下降，同时也降低了承力结构的强度，导致飞机质量增加。对于油箱内燃油流动问题，国际同行们的工作鲜有报道，常用的流体模拟方法对自由液面波动、破碎的仿真能力较弱，运算消耗极大，对飞机油箱中可能存在的剧烈流动问题适应性不理想。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法，使用光滑粒子流体动力学知识(以下简称为“SPH”)模拟液体流动，可以较好地模拟液体自由液面的破碎行为，同时降低运算量，为迭代优化的实现创造可能。

为达到上述目标，本发明采取的技术方案为：

基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法，包括以下步骤：

1)小充液比油箱隔板设计：

随着油箱充液比逐渐减小，燃油液面晃动幅度与平复时间将逐渐变大，以受影响最大的小充液比工况为优先设计工况，定义工程设计中常用的30％充液比为小充液比工况；

2)确定设计变量

取圆形作为串油孔开孔形状，每个串油孔包含圆心坐标x、y以及半径r共计3个变量，在隔板上均匀布置n个串油孔，将其作为初始布局，此时共有3n个变量，将这些变量有序地存储到向量中；

3)确定目标函数——平衡时长t_平衡：

以串油性能最佳为优化目标，将燃油质心开始波动到波动强度衰减至可接受值B_标准所用的时长设定为衡量串油性能的指标，命名为平衡时长t_平衡，平衡时长t_平衡即为关于设计变量的目标函数；

定义外界激励结束时刻为初始时刻，从初始时刻开始计时，定义经过平衡时长t_平衡后燃油的状态为平衡状态，此时为时刻T_平衡；

平衡时长t_平衡具体求解步骤如下：

3.1)利用SPH方法求解运动状态：

利用SPH方法计算出任意时刻燃油所有微粒的运动状态，包括任意时刻各个微粒的位置、速度、加速度、压强、密度；

3.2)建立平衡函数并求出平衡时长t_平衡：

3.2.1)计算质心位置：

依据步骤3.1)获得的所有微粒的位置坐标计算出任意时刻这些微粒所共同构建的燃油整体的质心坐标

3.2.2)定义平衡无流动状态：

定义一个对比流体，其粘度系数为燃油粘度的10倍，其它参数一致，利用SPH方法计算对比流体的微粒运动状态；记录初始时刻该对比流体所有微粒加速度大小之和，其后随着时间的推进，当对比流体中所有微粒的加速度大小之和为初始时刻的1％时，定义流体此时的状态为平衡无流动状态；

3.2.3)构建平衡函数：

设定油箱共有l个隔舱，定义第e号隔舱t时刻燃油质心为其平衡无流动状态下质心为定义平衡函数为t时刻所有隔舱流体质心相对于平衡无流动状态下质心的波动强度：

上式中，为t时刻所有隔舱燃油质心相对于平衡无流动状态下质心的平均波动幅值，V为燃油总体积；此时，平衡函数表征t时刻所有隔舱中燃油质心的波动强度，为无量纲量；

3.2.4)计算平衡时长t_平衡：

记录平衡函数随时间变化产生的波峰及波谷，在不引入新外界激励的条件下，如果连续波峰或波谷连续三次低于标准值B_标准，则取初始时刻到第一次低于B_标准的波峰或波谷对应的时刻所用的时长为平衡时长t_平衡；B_标准取为5％；如果系统中出现新的外界激励，则以新激励结束时为初始时刻，重新计时；