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流线追踪Busemann进气道优化设计方法与性能研究 |
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【摘要】：论文以高超声速Busemann进气道为研究对象,采用理论分析和数值模拟方法,系统研究三维进气道构型设计参数对进气道综合性能的影响规律,将多目标优化方法引入基于流线追踪的Busemann进气道设计过程,并改进了粘性修正方法,进一步提升了三维进气道的设计水平。详细介绍了研究中用到的试验设计方法、替代模型和优化算法及其相关理论。建立了三维数值模拟方法,并针对基准Busemann进气道进行验证,无粘数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。分析对比无粘和有粘数值计算结果,表明粘性对流场结构有显著影响,造成进气道性能明显降低。系统研究了型面设计马赫数和截短度数对进气道性能的影响。研究表明,巡航状态下适当降低型面设计马赫数有助于减小阻力系数,但降低过多造成进气道整体性能下降,低马赫数来流状态下提高型面设计马赫数对进气道性能和流场结构影响不大,随着进气道截短度数的增大,流场内激波增强,增压比和阻力系数增大,总压恢复系数和出口马赫数减小。建立了矩形流线追踪Busemann进气道构型参数模型,采用优化拉丁超立方设计、Kriging替代模型、多目标粒子群算法与及数值仿真相结合的方法对其开展了多目标优化设计研究。模型验证表明优化计算与数值仿真的目标函数误差小于3%。获得了进气道三维构型的优化设计方案,与基准方案相比,优化方案的综合性能得到显著提升。深入分析了Pareto最优解集,揭示了进气道性能指标之间的相互关系。研究表明,进气道长度和阻力系数以及进气道长度和增压比互相制约,不能同时达到最优,阻力系数与增压比成正比,与总压恢复系数成反比,总压恢复系数与增压比成反比,与进气道长度成正比。采用灵敏度分析方法,研究了进气道设计参数对性能指标的影响规律。研究表明,设计参数间存在较强耦合特性,截短度数对进气道性能影响最显著。提出了一种基于平板湍流边界层的改进粘性修正方法,解决了直接粘性修正方法获得的进气道构型设计方案流场结构与无粘理论流场差异较大的问题。在保证收缩比不变的情况下,提升了基准进气道综合性能,流场结构和出口流场品质得到明显改善。
【关键词】：Busemann进气道 高超声速 流线追踪 多目标优化设计 数值仿真 粘性修正
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V211.48
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