基于高斯过程回归的机翼/短舱一体化气动优化
Integrated aerodynamic optimization of wing/nacelle based on Gaussian process regression
通讯作者:
收稿日期: 2022-10-9
Received: 2022-10-9
作者简介 About authors
季廷炜(1983—),男,副研究员,硕导,从事飞行器优化设计研究.orcid.org/0000-0001-7556-6867.E-mail:
为了解决机翼/短舱一体化气动设计的高维非线性优化问题,基于高斯过程回归(GPR)模型提出新型优化设计方法. 采用类别形状函数变换(CST)方法对机翼/短舱一体化构型中的翼型进行几何参数化建模;通过控制机翼形状参数、短舱形状参数和短舱安装参数实现机翼/短舱构型变形,该参数化建模过程共计包含50个设计参数. 通过GPR模型构建机翼/短舱设计参数与气动性能之间的代理模型,并采用贝叶斯优化(BO)算法实现代理模型的自更新和最优气动外形的获取. 结果表明:优化后一体化构型的阻力系数下降了10.95%,通过流场分析发现机翼外形和短舱外形的优化改善了表面流场结构,短舱安装位置的优化减弱了机翼和短舱间的气动干扰.
关键词:
A new optimization design method based on Gaussian process regression (GPR) model was proposed to resolve the high-dimensional nonlinear optimization problem of integrated aerodynamic design of wing/nacelle. The geometric parametric modeling of the airfoils in the integrated configuration of wing/nacelle was realized by the class and shape transformation (CST) method. The deformation of the integrated configuration of wing/nacelle was achieved by controlling the wing shape parameters, the nacelle shape parameters and the nacelle installation parameters. The parametric modeling process included 50 design parameters in total. The GPR model was used to construct a surrogate model between the design parameters and the aerodynamics performance of the integrated wing/nacelle geometry. Bayesian optimization (BO) algorithm was used to realize the self-update of the surrogate model and the acquisition of the optimal aerodynamic shape. Results showed that the drag coefficient of the integrated configuration was reduced by 10.95% after the optimization. The flow field analysis shows that the optimization of the wing shape and the nacelle shape improves the surface flow field structure, and the optimization of the nacelle’s installation position reduces the aerodynamic interference between wing and nacelle.
Keywords:
本文引用格式
季廷炜, 莫邵昌, 谢芳芳, 张鑫帅, 蒋逸阳, 郑耀.
JI Ting-wei, MO Shao-chang, XIE Fang-fang, ZHANG Xin-shuai, JIANG Yi-yang, ZHENG Yao.
翼吊式布局是现代大型民用飞机常见的发动机布局方式,该布局将发动机短舱吊挂在机翼下方,具有发动机进气效率高、降低翼根弯矩和减轻客舱噪声等优点. 对于翼吊式布局飞机而言,在飞行过程中,机翼和短舱之间会产生强烈的气动干扰,可能严重破坏全机的气动性能[1-3]. 为了提高发动机的推进效率和降低发动机的燃油消耗率,民用航空发动机呈现出涵道比越来越大和风扇压力比越来越小的发展趋势[4]. 预计未来涡扇发动机的涵道比将为14~23 [5]. 大的涵道比会带来更大的发动机重量和尺寸,而发动机直径和进气面积的增大会导致机翼和短舱之间的气动干扰更加强烈[6]. 因此,亟须对机翼/短舱进行一体化气动优化设计,来减弱部件间的流动干扰,提升飞机的整体气动性能.
针对机翼/短舱的一体化气动优化设计已经开展了大量研究工作. Koc等[7]使用序列二次规划算法对DLR-F6翼-身-短舱-挂架结构进行优化设计,在减小阻力的同时极大地消除了挂架表面的强激波. Saitoh等[8]在此基础上进行低升力条件和跨声速巡航条件下的多点设计,优化设计后的构型在2种工况下都具有较好的气动性能. Epstein等[9]使用遗传算法与降阶模型相结合的方法实现翼吊式飞机的机翼结构的多点优化设计,并取得显著的减阻效果. Bons等[10]采用基于高精度气动建模的梯度优化方法对喷气式客机的完整配置进行优化设计,优化设计后构型的气动性能比初始提升了2%. Li等[11]使用基于Kringing代理模型和粒子群优化算法的优化框架,对DLR-F6翼-身-短舱-挂架几何中短舱的安装位置进行优化。结果表明,优化后飞机各部件间的流动干扰显著减弱。Lei等[12]使用基于伴随法的梯度优化算法,对某典型长程双通道运输机构型进行一体化气动优化,得到翼-身-短舱-挂架一体化的全耦合设计.
综上所述,机翼/短舱气动优化设计的研究缺少同时考虑机翼形状、短舱形状和短舱安装位置的机翼/短舱一体化气动优化设计,并且考虑短舱真实进气和排气效应的研究较少. 实际上短舱射流和飞机外流的相互干扰不可忽略,飞机的气动性能在很大程度上会受到短舱射流的影响[12].优化方法一直是气动优化设计工作的重点,优化方法能否高效并充分地搜索整个设计空间是气动优化设计工作面临的巨大挑战之一[13]. 对于机翼/短舱一体化设计的三维气动优化问题,设计变量个数众多,设计空间维度巨大,本质上是求解高维非线性优化问题,因此往往需要大规模地调用高精度计算流体力学(CFD)数值模拟分析,这对优化方法的高效性和全局性都提出了较高的要求[14].
针对上述机翼/短舱一体化气动优化设计中存在的问题,本研究使用基于高斯过程回归(Gaussian process regression, GPR)和贝叶斯优化(Bayesian optimization, BO)架构的气动优化设计框架开展机翼/短舱结构的一体化气动外形优化设计:在考虑发动机短舱真实进气和排气效应的基础上,建立翼-身-短舱-挂架构型中包含机翼形状参数、短舱形状参数和短舱安装参数在内的50个气动外形参数到气动性能参数的高斯过程回归代理模型,再基于贝叶斯优化方法实现在参数空间内的全局寻优,并更新高斯过程回归代理模型,重复此过程直至收敛以获得最优的翼-身-短舱-挂架几何外形.
1. 参数化建模方法
表 1 翼-身-短舱-挂架初始几何构型的参数
Tab.1
参数 | 数值 |
参考面积S/m2 | 0.072 7 |
平均气动弦长c/m | 0.141 2 |
展长b/m | 0.585 7 |
短舱前伸量X/mm | 15.0 |
短舱下沉量Z/mm | 7.5 |
三维机翼形状包括平面形状和截面形状. 当控制截面确定下来时,可以通过平面形状参数对控制截面进行插值来得到三维机翼形状. 本研究使用类别形状函数变换(class and shape transformation,CST)方法对二维翼型截面进行参数化,再通过平面形状参数创建三维机翼形状. CST方法适用于很多复杂构型的参数化,它由类函数
式中:
式中:K为二项式系数. CST方法对翼型进行参数化的完整数学表达式为
图 1
图 1 RAE2822参数化翼型与真实翼型的对比
Fig.1 Comparison between parameterized RAE2822 airfoil and RAE2822 airfoil
图 2
由此,将这24个CST参数作为控制截面翼型的设计参数,再结合3个机翼平面形状参数,能够实现特定参数下DLR-F4几何的创建.
对于短舱的外形优化设计,本研究关注它的部分直观参数,如前缘曲率半径、风扇罩最大半径,因此使用直观类别形状函数变换(intuitive CST,iCST)参数化方法对BPR9发动机短舱型线进行参数化. iCST方法是在CST方法的基础上,建立直观参数到权重系数的变换矩阵,将CST方法中的权重系数转化成直观参数,再对直观参数进行设计[18]. 由于短舱和发动机存在的几何约束和硬性要求,对于单个短舱型线,本研究关注的几何参数有前缘曲率半径
图 3
图 4
在考虑DLR-F4翼身组合体和BPR9短舱外形参数化的基础上,将短舱的2个安装参数作为设计变量,包括短舱相对于机翼的前伸量X和短舱相对于机翼的下沉量Z,最终通过各几何之间的布尔运算创建翼-身-短舱-挂架几何. 翼-身-短舱-挂架几何的创建流程涉及总计50个外形设计参数,整个参数化建模过程在FreeCAD平台上完成.
2. 数值模拟方法及有效性验证
2.1. 数值模拟方法
对于跨声速流动而言,通常使用可压缩的Navier-Stokes方程来求解流体动力学问题. 本研究使用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)法和涡黏滞模型来模拟高雷诺数影响下的湍流流动,并使用Spalart-Allmaras(SA)湍流模型来评估雷诺应力模型中湍流黏度的变化[19].
图 5
在边界条件的设置上,将机身、机翼和除3个进出口面外的所有短舱表面均设置成无滑移壁面边界,风扇进口面设置成流场的出口边界条件,风扇出口面和核心机出口面均设置成流场的入口边界条件,将计算域的外边界设置成远场边界条件. 对于某个特定几何的短舱,知道以下工况参数:涵道比
式中:
2.2. 有效性验证
使用可压缩求解器SU2在Ma=0.75、Re=3.0×106的工况下对DLR-F4翼身组合体几何模型进行了数值模拟. DLR-F4模型采用T-Rex非结构网格划分,共生成3种质量不同的网格,网格单元数分别为1.91×106、4.13×106和6.30×106,分别对应粗网格、中网格和细网格. 不同网格体现在壁面层网格厚度以及表面网格尺度的不同,壁面层第1层网格厚度分别为1×10−4、5×10−5和3×10−5 m,中网格和细网格均有无量纲壁面距离y+<1,如图6所示. 如图7所示为DLR-F4几何模型的机翼压力系数分布Cp. 将3种质量网格的计算结果与文献[16]的实验数据进行对比,其中实验工况与数值模拟工况一致. 结果表明,数值模拟结果和实验结果符合良好,且中网格和细网格的计算结果基本一致,网格无关性得到验证.
图 6
图 7
图 7 DLR-F4几何的机翼压力系数分布
Fig.7 Wing pressure coefficient distribution of DLR-F4 geometry
图 8
图 8 NAL-AERO-02-01几何的压力系数分布
Fig.8 Pressure coefficient distribution of NAL-AERO-02-01 geometry
3. 优化问题定义和优化框架
如图9所示为DLR-F4翼型截面的设计空间. 如表2所示为短舱型线直观参数和短舱安装位置的设计范围. 表中,
图 9
表 2 短舱型线直观参数和短舱安装位置的设计范围
Tab.2
参数 | 初始值 | 参数设计范围 |
| | (0.5 |
| | ( |
| 32.5 | (25, 40) |
| −12.89 | (−25, −11) |
| | ( |
| 39 | (29, 49) |
| 1 | (0, 10) |
X/mm | 15 | (0, 30) |
Z/mm | 7.5 | (0, 15) |
优化目标为在升力系数没有损失的约束条件下尽可能地降低阻力系数,同时,由于对翼型的CST参数化方法不具备直观性,在优化设计过程中还施加了对翼型最大厚度的约束以及对机翼面积的约束. 优化问题可以表示为
式中:
如图10所示为基于高斯过程回归机器学习架构的优化框架. 图中,N为当前迭代次数,MNE为优化过程中设置的最大迭代次数. 优化流程由初始采样、计算气动性能、基于GPR建立代理模型和贝叶斯优化寻找最优点组成. 初始采样是使用拉丁超立方采样方法在设计空间内进行初始样本点的采样. 计算气动性能由参数化建模、网格自动划分和CFD数值模拟计算组成. GPR是使用高斯过程先验对数据进行回归分析的非参数模型. 基于GPR建立代理模型,能够准确预测不同外形设计参数下的气动性能. BO能够基于当前的代理模型快速输出最优设计参数. 每一步迭代中通过BO输出的采样点都会加入训练集中,并进行GPR代理模型的更新,直到收敛或者达到最大迭代次数.
图 10
图 10 基于高斯过程回归机器学习架构的优化框架
Fig.10 Optimization framework of machine learning architecture based on Gaussian process regression
GPR假设所有采样点均服从高斯分布,由均值函数和协方差函数唯一定义. 根据贝叶斯理论可以通过高斯过程先验求出测试集
式中:
式中:
4. 优化结果分析和讨论
在参数设计空间中进行80个样本点的拉丁超立方采样,将其作为初始的稀疏训练集,用于构建粗糙的代理模型. 随着优化过程中迭代加点的不断进行,BO具备的探索参数空间的高效性和全局性,一方面在最优设计点附近的数据点数会逐渐变多,对应的粗糙代理模型在最优设计点附近的精度也会逐渐提高;另一方面,BO能够辅助寻优过程跨过局部最优解,使得优化设计过程不会陷入局部最优. 因此,理论上随着迭代的进行,即使初始的训练集较稀疏,BO仍然可以实现在参数空间内的全局寻优. 当迭代过程进行到第60步时,当前的最优可行解已经实现较好的减阻效果,达到目标需求,且随着迭代加点的进行,最优解的提升不大. 由于实际工程问题并没有理论上的全局最优解,考虑到计算成本和优化效果之间的平衡,选择在这一步迭代加点后结束优化流程,并将当前步的最优可行解作为优化结果. 如图11所示为优化过程中目标函数的收敛过程,其中不可行解指不同时满足翼型最大厚度约束、机翼面积约束和升力系数约束的设计点,可行解指同时满足这3个约束的设计点.
图 11
图 11 翼-身-短舱-挂架构型优化中的收敛过程
Fig.11 Convergence histories of optimizing wing-body-nacelle-pylon configuration
如表3所示为优化前后升力系数、阻力系数和部分几何结构参数的对比. 其中升力系数略微增加,总阻力系数降低了10.95%,主要是压差阻力的减少和摩擦阻力略微减少. 如表4所示为各个部件的阻力系数变化情况,均为无量纲计数. 其中Cd,p为压差阻力对阻力系数的贡献项,Cd,f为摩擦阻力对阻力系数的贡献项。机身结构未发生变化,机身部分的阻力变化不大,机身部分阻力系数减小的主要是机翼面积的增大使得CFD计算使用的参考面积增大引起的. 如图12所示为优化前后短舱型线的对比,上中下型线别对应
表 3 优化前后各个部件的阻力系数变化
Tab.3
构型 | Cd | |||
机翼 | 机身 | 短舱 | 挂架 | |
初始构型 | 209.1 | 100.2 | 55.7 | 4.0 |
优化构型 | 196.6 | 91.8 | 34.5 | 5.7 |
表 4 优化前后翼-身-短舱-挂架构型的气动性能和结构参数对比
Tab.4
构型 | | | | | | | |
初始构型 | 0.150 640 | 0.121 876 | 0.072 700 | 0.492 397 | 0.036 898 | 0.022 295 | 0.014 434 |
优化构型 | 0.154 776 | 0.124 436 | 0.077 607 | 0.492 451 (+0.01%) | 0.032 859 (−10.95%) | 0.018 898 (−15.24%) | 0.013 961 (−3.28%) |
图 12
图 12 优化前后的短舱型线对比
Fig.12 Comparison of profiles of nacelle before and after optimization
图 13
图 13 优化前后的机翼翼型截面对比
Fig.13 Comparison of airfoil sections before and after optimization
图 14
图 14 机翼上翼面压力系数对比
Fig.14 Comparison of pressure coefficient of upper wing surface
图 15
图 15 优化前后机翼压力系数对比
Fig.15 Comparison of pressure coefficient of wing before and after optimization
图 16
图 16 机翼37.1%展长处的马赫数分布
Fig.16 Mach number distribution at 37.1% span station of wing
图 17
图 17 短舱不同截面处的压力系数对比
Fig.17 Comparison of pressure coefficient of nacelle at different section
5. 结 论
(1)提出机翼/短舱一体化气动优化设计方法,使用高斯过程回归构建翼-身-短舱-挂架构型气动外形参数到气动性能参数的代理模型。通过贝叶斯优化方法平衡对已知设计空间的开发和未知设计空间的探索,兼顾优化设计的高效性和全局性,确定最优候选点,更新代理模型,获得翼-身-短舱-挂架的最优构型,实现机翼/短舱的一体化气动优化设计.
(2)优化后的构型相对于初始构型实现了10.95%的减阻效果. 阻力系数减小的来源有机身、机翼和短舱,其中机身阻力系数的减小主要是由机翼面积增大引起的,机翼上翼面阻力系数的减小主要是机翼外形优化引起的,机翼下翼面阻力系数的减小主要是由短舱安装位置优化引起的,短舱阻力系数的减小同时受短舱外形优化和短舱安装位置优化影响.
(3)通过对机翼/短舱的一体化气动优化设计,包括机翼外形参数、短舱外形参数和短舱安装参数的设计,优化了翼-身-短舱-挂架构型的流场结构,减弱了机翼和短舱之间的相互干扰,降低了流动损失. 机翼和短舱之间气动耦合作用的内在机理以及流量系数、总温比等工况参数对气动性能的影响探究,未来可能成为继续研究的目标.
参考文献
一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法
[J].
A practical optimization design method for transport aircraft wing/nacelle integration
[J].
多区域自由变形技术在短舱安装位置减阻设计中的应用研究
[J].
Drag reduction design of install position of nacelle based on multi-zone FFD technology
[J].
翼吊发动机短舱对三维增升装置的影响及改善措施研究
[J].
Study about influence of wing-mounted engine nacelle on high-lift system and improvement measures
[J].
Multi-objective optimisation of short nacelles for high bypass ratio engines
[J].DOI:10.1016/j.ast.2019.02.014 [本文引用: 1]
翼吊布局民机短舱位置气动影响
[J].
Aero-dynamic influence of nacelle position of a wing-mounted civil aircraft
[J].
Automatic optimization of wing–body–under-the-wing-mounted-nacelle configurations
[J].DOI:10.2514/1.C033641 [本文引用: 1]
Aerodynamic design optimization of nacelle/pylon position on an aircraft
[J].DOI:10.1016/j.cja.2013.04.052 [本文引用: 1]
Aerodynamic optimization of civil aircraft with wing-mounted engine jet based on adjoint method
[J].DOI:10.1016/j.ast.2019.07.018 [本文引用: 2]
基于级联前向网络的翼型优化设计
[J].
Aerodynamic optimization design of airfoil configurations based on cascade feedforward neural network
[J].
Extension to the class-shape-transformation method based on B-splines
[J].DOI:10.2514/1.J050706 [本文引用: 1]
Intuitive class/shape function parameterization for airfoils
[J].DOI:10.2514/1.J052610 [本文引用: 1]
Euler flow analysis of turbine powered simulator and fanjet engine
[J].
Numerical simulation of transonic flow over wing-mounted twin-engine transport aircraft
[J].
大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析
[J].DOI:10.13675/j.cnki.tjjs.2015.02.004 [本文引用: 1]
Numerical study on low speed aerodynamic performance of large bypass ratio engine TPS nacelle
[J].DOI:10.13675/j.cnki.tjjs.2015.02.004 [本文引用: 1]
Study of power influences to the wing-mounted civil aircraft aerodynamic characteristics
[J].DOI:10.2514/1.C032356 [本文引用: 3]
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