基于ISIGHT的機(jī)翼氣動優(yōu)化設(shè)計

王 濤

（南昌理工學(xué)院,南昌 330013）

1 機(jī)翼氣動優(yōu)化平臺的建立

根據(jù)機(jī)翼氣動優(yōu)化分析的需要，要求完成三維機(jī)翼模型的自動建立、機(jī)翼網(wǎng)格的自動劃分、流體計算以及系統(tǒng)優(yōu)化四個方面的任務(wù)。優(yōu)化平臺的設(shè)計簡化框圖如圖1所示：

機(jī)翼模型的構(gòu)建機(jī)翼的網(wǎng)格劃分機(jī)翼流體力學(xué)計算Isight控制數(shù)據(jù)流的傳遞。

圖1 機(jī)翼氣動優(yōu)化平臺簡化框圖

機(jī)翼模型的構(gòu)建模塊：主要是完成對三維機(jī)翼的自動修形，即根據(jù)Isight優(yōu)化算法的要求，自動的調(diào)整諸如弦長、迎角之類的外形參數(shù)，構(gòu)建新的機(jī)翼外形。

機(jī)翼網(wǎng)格劃分模塊：主要負(fù)責(zé)對機(jī)翼外形的網(wǎng)格劃分。

機(jī)翼流體力學(xué)計算模塊：負(fù)責(zé)采用合適的數(shù)值模擬方法計算出各項(xiàng)氣動特性參數(shù)。

Isight模塊：負(fù)責(zé)各項(xiàng)任務(wù)銜接和引導(dǎo)，并根據(jù)流體計算結(jié)果和一定的優(yōu)化搜索策略，調(diào)整機(jī)翼的外形參數(shù)，到達(dá)自動尋優(yōu)的目的。

鑒于以上的分析，在Isight軟件里建立了如下的優(yōu)化平臺。

圖2 Isight中的機(jī)翼氣動優(yōu)化平臺

從圖2中可以看出，goug是完成參數(shù)化建模的，gogambit用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，流體計算則是由gofluent來完成、Calculatvor用來完成對研究目標(biāo)的二次計算，如計算升阻比CL/CD等。DOE用來完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計的結(jié)果，選擇合適的設(shè)計點(diǎn)，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

機(jī)翼氣動優(yōu)化平臺建立的具體思路步驟見圖2。在該圖中，包含了參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分到氣動分析所需的各類信息，同時給出了各模塊在iSIGHT上的具體的輸入輸出參數(shù)文件。其中iSIGHT主要是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動調(diào)用，按照某種預(yù)先設(shè)計的算法，完成對數(shù)據(jù)的流的反復(fù)導(dǎo)入，當(dāng)達(dá)到最終設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)時，則停止運(yùn)算，并輸出最優(yōu)結(jié)果。

Feiji.prtFeiji.expFeiji.x_tGambit.jouFluent.jouFeiji.mshFeiji.datUG構(gòu)建機(jī)翼模型Gambit生成翼型網(wǎng)格Fluent計算得到Cl，CdiSIGHT控制數(shù)據(jù)流程Ug二次開發(fā)程序

圖3 優(yōu)化平臺建立的具體思路步驟

2 目標(biāo)優(yōu)化

為了驗(yàn)證機(jī)翼氣動優(yōu)化的效果，我們選取了典型的joukowski翼型作為研究對象，首先通過對某類翼型的參數(shù)化，然后由ISIGHT負(fù)責(zé)自動計算，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的自動化。

設(shè)計變量：提取根弦長250mm、梢弦長50mm、半展長1000mm和前緣后掠角11.5°作為設(shè)計變量。

其中來流速度V0=50m/s，攻角為θ=5°；假設(shè)流體為定常的；來流空氣物理特性取標(biāo)準(zhǔn)海平面的值：壓強(qiáng)為101,325 Pa ，密度= 1.2250 kg/m3，溫度為288.16 K，運(yùn)動學(xué)粘性系數(shù)v = 1.4607e-5 m2/s。

目標(biāo)函數(shù)：升阻比CL/CD最大。

優(yōu)化求解：在本算例中，試驗(yàn)設(shè)計采用拉丁超立方法獲得100個樣本點(diǎn)。該方法允許實(shí)驗(yàn)樣本點(diǎn)在設(shè)計有效域內(nèi)進(jìn)行均勻化的排布。該算法和ISIGHT的結(jié)合將可以較好的進(jìn)行反復(fù)的目標(biāo)函數(shù)測算，并且可以有效減少因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣本點(diǎn)選擇不合理帶來的優(yōu)化誤差。由于選擇了100個樣本點(diǎn)，因此基于ISIGHT的集成系統(tǒng)會對100多個不同參數(shù)的模型進(jìn)行測算。并對每一個模型進(jìn)行網(wǎng)格化（通過調(diào)用Gambit軟件），最后進(jìn)行流體計算（通過調(diào)入Fluent軟件）。最后得出100組升阻比。

優(yōu)化結(jié)果如表所示。

在上表中，只給出最終的優(yōu)化結(jié)果，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，通過對三維機(jī)翼的優(yōu)化，機(jī)翼的升阻比有一定的提高。在最優(yōu)升阻比數(shù)據(jù)對應(yīng)的三維模型，也即我們想要得到的模型。

優(yōu)化結(jié)果

3 總結(jié)

本章應(yīng)用CAD二次開發(fā)技術(shù)和參數(shù)化建模方法，充分利用了CAD軟件豐富的建模功能，通過和ISIGHT集成軟件的并行工作，最終提升了設(shè)計效率。

[1]王濤，彭如.多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究初探[J].電子制作，2014(01).