[发明专利]非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱

说明书

本发明公开了一种非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱，涉及短舱设计技术领域，它包括9个步骤，通过对不同基准面的分别设计形成最终的非轴对称自然层流短舱，基于生成拓扑映射模型，以压力分布为目标，整个步骤使用客观方法实现，不依赖于设计者的经验；通过多个基准面的设计、匹配融合，将非轴对称短舱的三维流动效应贯穿始终；并且所需样本数目少、计算成本低。

技术领域

本发明涉及层流短舱设计技术领域，具体涉及一种非轴对称自然层流短舱反设计方法及自然层流短舱。

背景技术

大涵道比发动机是目前全世界民用客机的主要动力引擎，具有噪声低、燃油效率高、使用寿命长等优点，能提供出色的推质比，在航空运输领域占据主导地位。一般短舱阻力占飞机总阻力的5%左右，而大涵道比发动机短舱由于几何尺寸的增大使其在全机总阻力中所占比重不断增大。巡航状态下，短舱表面的流动分为层流和湍流两种，湍流的摩擦阻力远高于层流的摩擦阻力。因此若能在短舱外表面实现较大范围的层流覆盖，能够有效降低摩擦阻力，节约燃油消耗，提升飞机的经济效益。

现有非轴对称自然层流短舱设计方法分为三大类：

第一，凭借设计者经验，使用参数化造型工具对短舱多个基准面进行造型，借助CFD求解器模拟轴对称层流短舱的气动性能，通过分析相应流场，结合边界层转捩位置及层流区长度，再次对短舱的各个基准面进行修型改进，如此重复，直至获得令设计者满意的层流区范围，最终将各个基准面构型组合形成非轴对称自然层流短舱。这种设计方法过度依赖设计者经验，且需要循环往复的造型，时间成本较高，与轴对称层流短舱相比，由各基准面组合获得的非轴对称短舱的层流范围也会略有损失。

第二，在初始非轴对称短舱外形的基础上，利用优化设计的思想，对非轴对称短舱的多个基准面对应的轴对称短舱进行转捩位置最大化或阻力最小化优化，需要强调的是，优化过程中对各个基准面开展的是二维外形加轴对称边界条件的数值模拟，最终根据各个基准面构型组合获得非轴对称自然层流短舱外形，这种设计方法具备一定的自动化功能，但与第一类方法类似，忽略了非轴对称短舱的三维特性，与轴对称层流短舱相比，由各基准面组合获得的非轴对称短舱的层流范围会略有损失。

第三，利用优化设计的思想，直接对非轴对称短舱进行转捩位置最大化或阻力最小化优化设计。这类方法需要的考虑的设计变量较多，且各设计参数之间相互耦合，无论是使用梯度类优化算法还是无梯度类优化算法，所需样本点数都非常大，计算成本难以接受。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种不过渡依赖设计者经验，通过不同基准面进行形状设计并匹配组合，着重考虑短舱三维特性，所需样本点数量较少的非轴对称自然层流短舱反设计方法及层流短舱。

本发明采用的技术方案如下：

一种非轴对称自然层流短舱反设计方法，包括以下步骤：

步骤1，建立初始非轴对称短舱，记为初始短舱；

步骤2，选择初始短舱的左右或上下两个基准面；

步骤3，针对两个基准面分别选取样本点，对两个基准面分别进行参数化及数值模拟，获得各样本点在相应基准面上的压力分布；

步骤4，构建GTM模型；

步骤5，预设目标压力分布，并寻优，得到最优设计变量对应的非轴对称短舱，记为最优自然层流短舱；

步骤6，对最优自然层流短舱进行CFD校验，若最优自然层流短舱满足要求，则该两个基准面设计结束；若最优自然层流短舱不满足要求，则重复步骤3~步骤5，并在步骤3中重新选取样本点，或在步骤5中重设目标压力分布。

优选的，步骤6后还包括步骤：

步骤7，将满足要求的两个基准面匹配到初始短舱中，获得新的非轴对称自然层流短舱，记为第一短舱。