低雷诺数下附面层分离的抽吸控制及优化

摘要

低雷诺数条件下边界层容易出现流动分离，对飞行器气动性能和飞行稳定性等产生严重影响。针对该现象，选择抽吸控制方式以抑制分离流动、改善翼型气动性能，采用自编软件，对分离流动抽吸控制进行了系统研究。
　　抽吸控制参数主要包括抽吸系数、抽吸角度、抽吸孔径和抽吸孔间距等，对抽吸控制效果的影响及其交互影响规律是本文的重点。目前对于抽吸控制的研究多集中于对气动性能的影响，除了Wahidi等实验研究外，均没有考虑抽吸控制作为主动控制所需要的能量消耗问题。因此，本文从气动力变化和抽吸能耗两个方面综合地衡量和评估抽吸控制效果。
　　抽吸控制是多参数、多目标的流动控制。所考虑的设计参数越多，则越难以确定最优参数组合，优化目标又可分为单目标和多目标，特别是Pareto多目标优化在目前抽吸控制优化邻域内鲜有报道，因此结合优化算法实现不同目标的控制优化是本文重点解决的又一个关键技术。
　　三维有限翼展机翼绕流中不仅存在翼表面的分离流动，还有翼梢处的翼尖涡。翼尖涡会产生气动噪声，甚至使部件产生颤振等影响，当施加抽吸控制后，不仅要分析机翼本身气动性能的变化和抽吸能耗品质因数，还要考虑翼尖涡的结构、轨迹和强度受抽吸控制影响这一因素。因此综合考虑三维有限翼展机翼分离流动及翼尖涡受抽吸控制的影响，是本文对抽吸控制在三维中的进一步探讨。
　　本文主要内容如下:
　　首先基于AUSM+-up格式、高阶WENO重构、隐式双时间步长法、Wall-AdaptingLocal Eddy-Viscosity（WALE）亚格子模型和并行技术发展了非定常流动的大涡模拟自编软件，对低雷诺数下NACA0012翼型表面分离流动进行了详细研究，分析了低雷诺数下翼型表面流动特点。
　　选择低雷诺数下绕翼型分离流动作为抽吸控制的基准状态，对抽吸系数、抽吸方向、抽吸区域相对于分离点的作用位置、孔间距和孔径等参数，从对翼型气动性能的影响和能量消耗两个方面综合衡量和评价抽吸控制效果。结果表明:随着抽吸系数的增加，升阻比先是快速增长然后缓慢下降;抽吸系数不仅存在一个下限值以达到快速、有效的控制效果，而且有一个上限值以保证抽吸能耗的品质因数大于1;抽吸角度对抽吸控制有显著影响，当抽吸角度较大时，不仅翼型升阻比获得了提升，而且抽吸控制所消耗的能量也会进一步减少;当抽吸区域位于分离点之后时，抽吸控制效果最好;孔间距和孔径对翼型气动性能的影响较小，但对抽吸能耗的品质因数分布的影响较大。
　　通过压力系数、边界层速度分布、边界层特征参数（位移厚度、动量厚度和形状因子）在抽吸控制前后的变化，详细分析了抽吸控制机理。一方面，在抽吸控制作用下，因边界层分离而导致的动量损失减小，流向动量增加，从而增强抵抗逆压梯度的能力，抑制边界层分离;另一方面，在多孔分布形成的抽吸区域内产生的低压也对气动性能的改善提供了一定贡献。
　　为了获取多个抽吸控制参数的最优组合，通过径向基函数神经网络与遗传算法的耦合，发展了求解单目标和Pareto多目标问题的优化设计平台。优化结果表明:该优化设计平台具有良好的收敛性和准确度;以升阻比为单目标的优化设计使升阻比最大增加了2.4倍;抽吸品质因数作为单目标达到最优解时，阻力系数明显降低，而升力系数变化很小;Pareto多目标优化设计获得了分布均匀的、令人满意的Pareto解集，为设计者提供了一个可选的有效解数据库。
　　最后探讨了抽吸控制在三维有限翼展机翼分离流动中的应用，并研究了翼尖涡在抽吸控制前后的变化。发现抽吸系数对机翼的气动性能影响明显，升力系数和升阻比增加量都逐渐增大，阻力系数呈减低的趋势，抽吸品质因数变化规律是逐渐减小。抽吸角度对机翼气动性能参数的影响较小。在抽吸控制下，翼尖涡轨迹变化明显，但结构和强度变化不明显。

目录

声明

摘要

主要符号说明

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 低雷诺数流动

1．2．2 抽吸控制

1．2．3 抽吸控制优化

1．3 本文的主要内容

2 数值方法

2．1 无量纲化方法

2．2 大涡模拟控制方程

2．3 WALE亚格子模型

2．4 空间离散格式

2．4．1 AUSM+-up格式

2．4．2 WENO类高阶重构

2．4．3 边界条件

2．5 时间推进格式

2．5．1 显式多步Runge-Kutta法

2．5．2 隐式推进格式

2．5．3 并行计算

2．6 算法验证

2．6．1 流动参数及网格设计

2．6．2 并行计算的效率

2．6．3 圆柱绕流的统计参量

2．7 低雷诺数下翼型层流分离泡

2．7．1 计算网格与计算方法

2．7．2 低雷诺数流动的时均特征

2．7．3 低雷诺数流动的瞬时特征

2．8 本章小结

3 翼型表面分离流动的抽吸控制

3．1 翼型低雷诺数流动特性

3．1．1 数值算法及网格设计

3．1．2 分离流场特性与流动机理分析

3．1．3 气动力特性分析

3．2 多孔分布式抽吸控制结构与机理分析

3．2．1 多孔分布式抽吸结构的介绍

3．2．2 多孔分布式抽吸对翼型气动性能和流场结构的影响

3．2．3 多孔分布式抽吸的机理分析

3．2．4 多孔分布式抽吸的能耗分析

3．3 控制参数对多孔分布式抽吸效果的影响

3．3．1 抽吸角度的影响

3．3．2 抽吸区域与分离点之间的关系

3．3．3 抽吸孔间距的影响

3．3．4 抽吸孔径的影响

3．4 本章小结

4 翼型流动分离的抽吸控制优化

4．1 遗传算法

4．1．1 遗传算法简介

4．1．2 遗传算法的特点

4．1．3 遗传算法的实现技术

4．2 优化控制的代理模型

4．2．1 试验设计方法

4．2．2 代理模型

4．3 抽吸控制的单目标优化

4．3．1 设计变量及约束条件

4．3．2 以升阻比为单目标的优化

4．3．3 以FOM为单目标的优化

4．4 抽吸控制的Pareto多目标优化

4．4．1 多目标优化问题的概念和定义

4．4．2 Pareto多目标优化的遗传算法

4．4．3 Pareto多目标优化遗传算法的数值实验

4．4．4 抽吸控制的多目标优化

4．5 本章小结

5 三维有限翼展机翼分离流动的抽吸控制

5．1 基准状态的研究

5．1．1 计算网格与计算方法

5．1．2 流动特性分析

5．2 抽吸控制的研究

5．2．1 抽吸系数的影响

5．2．2 抽吸角度的影响

5．2．3 某控制状态下的结果展示

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 创新点归纳

6．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况