差分进化算法及其在气动优化设计中的应用

摘要

基于CFD的气动优化设计已成为当前计算流体力学研究的一个重要领域，目前已有很多的优化方法被成功地应用于翼型和机翼气动外形设计，并取得了明显的效益。为了更好地将气动优化设计运用于工程实践中，除了要提高流动方程求解的精度和效率外，优化方法的研究也是一个关键的方面。传统的确定性优化方法其本质决定了优化设计结果的局部优化特点，而进化算法除了具有强的鲁棒性和并行性之外，还具有全局性优化的特点。这使得进化算法在工程优化中得到越来越广泛的应用。近年来，一种新的进化算法——差分进化算法，被各国学者广泛关注。它的主要特点是算法简单、收敛速度快，所需领域知识少。通过大量研究发现，差分进化算法具有很强的收敛能力，比较适合于解决复杂的优化问题。本文着重对差分进化算法进行研究和改进，建立了一些适用于气动优化设计的差分进化优化模型，并将其应用于翼型和机翼的气动优化设计。 本论文主要完成了以下几方面的工作： 1.全面地介绍了差分进化算法的原理、基本结构、算法特点和扩展模式等相关内容；通过对标准函数的测试，对差分进化算法的参数选取问题进行了较为深入的研究。 2.将基于二维Euler方程和三维Navier-Stokes方程的流场解算程序与差分进化算法相结合实现了翼型和机翼的气动外形优化设计计算。与传统的工程方法和基于势流理论的优化设计相比，获得了更为准确地计算结果。 3.将Pareto方法与差分进化算法结合起来，形成了Pareto差分进化算法，方便高效的用于处理多目标优化设计问题。在翼型优化设计中，应用Pareto差分进化算法进行了对翼型的多目标优化设计。 4.采用MPI并行编程方法实现了差分进化算法的并行化，大大提高了气动优化设计的计算效率，证明了差分进化算法良好的并行性。通过对差分进化算法进行的研究和改进，以及在气动外形优化设计中的试验性应用研究，得出的一些有用的结论，可以为基于数值优化方法所进行的飞机气动优化设计提供参考。