[发明专利]基于类别形状函数的二元自由造型进气道优化设计方法及系统

说明书

本发明提出了一种基于类别形状函数的二元自由造型进气道优化设计方法及系统。采用类别形状函数法对压缩面进行参数化建模，将类别形状函数的控制参数作为二元自由造型进气道优化设计模型的优化变量，并采用归一化方法，对不同评估状态点的流量系数与总压恢复系数σ的比进行加权求和，将宽速域二元进气道优化的多个马赫数下、多个性能参数的多点多目标问题转化为单目标问题，并进行优化，得到优化设计后的二元自由造型进气道构型。相较于多级压缩的定几何二元进气道，本方法所得到的二元自由造型进气道构型性能更优，能够为二元自由造型进气道设计提供一种新型的高效设计方法。

技术领域

本发明涉及一种高超声速进气道设计方法，特别是涉及一种基于类别形状函数的二元自由造型进气道优化设计方法及系统。

背景技术

在当前的研究中，二元进气道的设计均采用最佳波系理论，使压缩面在设计状态下产生的激波可以在唇口处封口，既保证了进气道的压缩效率又可以给燃烧室提供足够的气流。利用最佳波系理论设计二元进气道时，需要首先选定设计点和总压缩角以及压缩面的数量，再根据斜激波关系式求出各级压缩角的大小。

总压缩角的大小和压缩面的数量会直接影响到进气道的性能，但是目前的研究中尚未提出一种合适的方法选择总压缩角和压缩面的个数；设计点的选取会直接影响到进气道能否满足宽速域的工作要求。由于高速状态下飞行高度较大，空气稀薄，对进气道的性能要求更高，因此设计时经常选择高马赫数作为设计点，但由此所设计的进气道往往无法满足进气道在低速状态下的工作要求。同时，最佳波系理论基于无黏流假设，在实际飞行过程中，由于粘性的影响会出现附面层，附面层对压缩面产生的激波进行干扰，使其向唇口下方偏移，无法达到理想的设计状态。在之前的研究中，需要进一步的优化设计和变几何设计使进气道满足宽速域的要求。

宽速域二元进气道的优化设计中，需要考虑进气道在不同飞行状态下的诸多性能参数，因此，其目标函数是多点多目标的。本发明基于多目标优化中的归一化方法，结合进气道流量与发动机流量匹配要求，对不同飞行状态下的流量系数与总压恢复系数之比加权求和，将多点多目标问题转化为单一的目标函数。在对该目标函数的应用中发现，可以直接通过优化设计，使二元进气道满足设计要求，因此提出直接对二元进气道的压缩面进行优化设计，初始压缩面为一条任意曲线，通过类别形状函数来控制曲线的形状，将类别形状函数的控制参数作为优化变量，不同状态下的性能指标作为约束条件，确定涵盖不同马赫数下二元进气道性能的目标函数，选择合适的优化算法对模型进行优化，使优化后的构型可以满足设计要求，并将该方法称为自由造型的二元进气道优化设计方法。

发明内容

本发明提出了一种基于类别形状函数的二元自由造型进气道优化设计方法及系统。采用类别形状函数法对压缩面进行参数化建模，将类别形状函数的控制参数作为二元自由造型进气道优化设计模型的优化变量，并采用归一化方法，对不同评估状态点的流量系数与总压恢复系数σ的比进行加权求和，将宽速域二元进气道优化的多个马赫数下、多个性能参数的多点多目标问题转化为单目标问题，并进行优化，得到优化设计后的二元自由造型进气道构型。相较于多级压缩的定几何二元进气道，本方法所得到的二元自由造型进气道构型性能更优，能够为二元自由造型进气道设计提供一种新型的高效设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种基于类别形状函数的二元自由造型进气道优化设计方法，包括以下步骤：

建立二元进气道基准构型模型，确定基本几何参数，利用类别形状函数法对压缩面进行参数化建模，将类别形状函数的控制参数作为二元自由造型进气道优化设计模型的优化变量；

根据设计要求，选择合适的评估状态点，确定二元自由造型进气道优化设计模型的约束条件；

根据进气道吸入流量和发动机需求流量之间的匹配关系，确定涵盖不同马赫数下二元进气道性能的二元自由造型进气道优化设计模型的目标函数；