超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30573

首届空天前沿大会优秀论文专栏

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超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化方法

单程军, 贡天宇, 易理哲, 杨浩辉, 龙垚松()

华中科技大学航空航天学院，武汉 430037

收稿日期:2024-04-02 修回日期:2024-05-23 接受日期:2024-09-19 出版日期:2024-09-24 发布日期:2024-09-23
通讯作者: 龙垚松 E-mail:longyaosong@hust.edu.cn

High-efficiency and high-reliability sonic boom/aerodynamic multidisciplinary optimization method for supersonic civil aircraft

Chengjun SHAN, Tianyu GONG, Lizhe YI, Haohui YANG, Yaosong LONG()

School of Aerospace Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430037，China

Received:2024-04-02 Revised:2024-05-23 Accepted:2024-09-19 Online:2024-09-24 Published:2024-09-23
Contact: Yaosong LONG E-mail:longyaosong@hust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

如何降低声爆强度和提高巡航气动效率是超声速民机的关键研究问题之一。针对目前声爆/气动多学科优化研究中存在的高可信度优化效率低和忽略大尺度布局参数等问题，提出了一种超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化方法。自研了一套基于非线性Burgers方程的远场声爆传播程序“BoomProp”，结合基于CFD的近场流动预测方法，建立了高可信度地面声爆强度预测流程。采用基于CEHVIM准则的高效全局约束多目标优化算法，耦合高维不规则设计空间的最优拉丁超体试验设计方法、布局参数化自动成型、网格自动生成与高可信度声爆/气动性能预测方法，搭建了超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化平台。基于该平台针对机翼布局开展了声爆/气动多学科优化，优化结果在声爆与阻力性能方面有较为明显提升，同时与基于Kriging代理模型的NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对比，综合验证了所提出方法的有效性与高效性。

关键词: 超声速民机, 非线性Burgers方程, 计算流体力学, 声爆, 多学科优化方法, 高效全局约束多目标优化方法

Abstract:

One of the key research challenges for supersonic civil aircraft is reducing sonic boom intensity and improving cruise aerodynamic efficiency. In current sonic boom/aerodynamic multidisciplinary optimization studies， there are the issues such as low optimization efficiency in high-fidelity optimization and neglect of large-scale configuration parameters. A high-efficiencyand high-fidelity multidisciplinary optimization method for supersonic civil aircraft is proposed. A self-developed far-field sonic boom propagation program based on the nonlinear Burgers equation， “BoomProp”， is integrated with the near-field flow prediction method using CFD to establish a high-fidelity ground-level sonic boom intensity prediction process. The efficient global constrained multi-objective optimization algorithm based on the Constrained Expected Hypervolume Improvement Matrix （CEHVIM） criterion is adopted and is coupled with the optimal Latin hypercube design method for high-dimensional irregular design spaces， automated layout parameterization， mesh generation， and high-fidelity sonic boom/aerodynamic performance prediction methods， to build a high-efficiencyand high-fidelity multidisciplinary optimization platform for supersonic civil aircraft. Using this platform， multidisciplinary optimization for sonic boom and aerodynamics of wing configurations is conducted， yielding significant improvements in both sonic boom and drag performance. Additionally， a comparison with the NSGA-II multi-objective genetic algorithm based on the Kriging surrogate model comprehensively validates the effectiveness and efficiency of the proposed method.

Key words: supersonic civil aircraft, nonlinear Burgers equation, computational fluid dynamics, sonic boom, multi-disciplinary optimization method, efficient global-constraint multi-objective optimization method

中图分类号:

V211.3

单程军, 贡天宇, 易理哲, 杨浩辉, 龙垚松. 超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630573.

Chengjun SHAN, Tianyu GONG, Lizhe YI, Haohui YANG, Yaosong LONG. High-efficiency and high-reliability sonic boom/aerodynamic multidisciplinary optimization method for supersonic civil aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(24): 630573.

图/表 24

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表1

设计变量空间

序号	参数	下界	上界	定值
1	全机攻角 $α$ /（°）	0	5.0
3	x/m	18.0	22.0
3	z/m	-0.5	0.5
4	安装角 $θ$ /（°）	0	3.0
5	内段上反角 $Γ 1$ /（°）	0	20.0
6	外段上反角 $Γ 2$ /（°）	0	20.0
7	内段后掠角 $Λ L E 1$ /（°）	65.0	80.0
8	外段后掠角 $Λ L E 2$ /（°）	65.0	75.0
9	内段翼展 $b 1$ /m			3.7
10	外段翼展 $b 2$ /m			5.7
11	内段翼根弦长 $c 1$ /m			24.0
12	外段翼根弦长 $c 2$ /m			10.0
13	外段翼梢弦长 $c 3$ /m			1.2

表1

图 13

图 14

图 15

表2

表3

代理模型关于声爆强度、阻力系数与升力系数的矫正决定系数

性能参数	矫正决定系数 $R a d j u s t e d 2$
声爆强度	0.461 8
阻力系数	0.754 7
升力系数	0.796 6

表3

图 16

图 17

表4

表5

表6

图 18

参考文献 46

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

构型	升力系数	声爆强度/PLdB	声爆强度变化率/%	阻力系数/10^-3	阻力系数变化率/%
Baseline	0.101 3	95.11		8.267
OptDrag	0.102 3	97.78	2.80	7.207	-12.81
OptMidd	0.102 5	92.56	-2.69	7.635	-7.64
OptBoom	0.106 9	91.24	-4.07	8.055	-2.56

验证样本点	声爆强度预测值/PLdB	声爆强度真实值/PLdB	误差/%
p₁	89.60	93.74	-4.42
p₂	89.16	92.65	-3.77
p₃	88.76	91.93	-3.44

验证样本点	阻力系数预测值/10^-3	阻力系数真实值/10^-3	误差/%
p₁	7.151	7.271	-1.65
p₂	7.331	7.463	-1.77
p₃	7.586	7.882	-3.76

验证样本点	升力系数预测值	升力系数真实值	误差/%
p₁	0.100 6	0.098 7	1.93
p₂	0.101 4	0.099 1	2.32
p₃	0.102 1	0.100 7	1.39

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超声速民机高效高可信度声爆/气动多学科优化方法

High-efficiency and high-reliability sonic boom/aerodynamic multidisciplinary optimization method for supersonic civil aircraft

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