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基于动态演化控制N-S方程气动外形优化研究

作　者: 罗天宁
导　师: 叶友达
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 动态演化目标函数升力体气动外形参数化方法优化设计方法翼型升阻比网格技术网格方法
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文采用张涵信院士发展的“基于外形动态演化控制的气动优化设计方法”对二维翼型和三维升力体外形进行了优化设计。通过对计算流体动力学(CFD)技术发展的简要回顾,说明基于CFD气动外形设计的重要性与可行性,讨论了目前几种较为流行的气动优化设计的发展现状。全文介绍了气动优化设计过程中CFD分析、外形参数化、梯度计算和优化算法四方面的工作。CFD分析方面考虑到方法的高效率、健壮性,继承已有的非结构网格和有限体积算法,充分利用了非结构网格对于外形的微小变化能够自适应的生成新的网格,而无需在整个求解域内全部重新生成网格的特点,节约了网格生成耗费的大量时间。外形参数化方面根据具体设计外形的不同和设计目标,对二维翼型采取参数化方法和B样条方法相结合,对三维升力体外形采用特征尺寸参数化的方法。在梯度计算和优化方面,本文应用张涵信院士提出的基于外形动态演化控制的气动优化设计方法,通过求解非定常的N-S方程(而非求解定常的N-S方程的收敛解的方法)得到随着外形的改变而改变的流场目标函数的值,求出目标函数对于控制变量的梯度,然后根据梯度选择合适的方向变化外形,直到符合设计要求为止。最后本文通过二维和三维的优化算例证明以上技术途径是有效的、基本成功的。论文分五章。引言是第一章,讨论CFD、非结构网格方法及气动外形优化设计方法的发展。第二章介绍了非结构网格技术、动网格技术和有限体积法。第三章介绍了本文的二维翼型与三维升力体外形的参数化方法和基于外形动态演化控制的气动优化方法。第四章给出了二维翼型的优化设计实例。第五章给出了三维升力体外形的优化实例。第六章为结束语,指出了本文工作不足之处与今后发展的方向。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第一章引言  10-19
  1.1 基于CFD 气动外形优化设计的背景和研究现状  10-13
  1.2 非结构网格与有限体积的发展状况  13-15
  1.3 气动优化设计的一般过程  15-18
  1.4 本文的工作  18-19
第二章二维非结构网格与动网格  19-34
  2.1 非结构网格的生成  19-22
    2.1.1 背景网格  19-20
    2.1.2 初始阵面生成  20-21
    2.1.3 阵面推进  21-22
    2.1.4 网格调整  22
  2.2 动网格  22-25
    2.2.1 Delaunay 背景插值网格  22-23
    2.2.2 计算网格点在Delaunay 插值网格中的定位  23-24
    2.2.3 Delaunay 插值网格的变化  24-25
    2.2.4 生成新的计算网格  25
  2.3 二维非结构网格数值方法  25-31
    2.3.1 控制方程  26-27
    2.3.2 数值格式  27-31
  2.4 边界条件处理  31-34
第三章气动外形优化  34-42
  3.1 二维翼型的参数化  34-39
    3.1.1 参数化方法  34-36
    3.1.2 B 样条方法  36-39
  3.2 三维外形的参数化  39-40
  3.3 基于外形动态演化控制的气动优化方法  40-42
第四章二维翼型优化  42-49
第五章三维升力体外形优化  49-60
  5.1 三维外形参数化描述  49-50
  5.2 优化问题描述  50-51
  5.3 优化结果  51-59
    5.3.1 选取a= 1 、b=-4 、c= 4  51-53
    5.3.2 选取a= 10 、b= 1 、c= 1  53-56
    5.3.3 选取a= 3 、b=-4 、c= 3  56-58
    5.3.4 选取b=-4,a 与b 选取不同的值  58-59
  5.4 本章结论  59-60
第六章结束语  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65

基于动态演化控制N-S方程气动外形优化研究

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