【硕士论文】高超声速飞行器气动特性优化方法研究.pdf

摘要
随着航空、航天工程的迅猛发展,飞行器的速度和高度不断增加。高超声速
气动问题已经成为高超声速飞行器发展的重要课题。因此,对高超声速飞行器进
行气动优化,就显得尤为重要。本文主要研究各种优化方法在高超声速飞行器气
动优化中的应用情况。主要内容有:
把遗传算法引入到高超声速气动优化中来。文中的遗传算法是以实数编
码为基础,引入非线性排名机制、优选和动态惩罚等一系列技术,让遗传算法能
够满足气动优化设计的要求
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是梯度法,文中将对梯度法及其改进的变度量法进行研究,并把他们应用到高超
声速优化中来。引入随机初值点,解决传统优化方法局部最优的问题。
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了充分发挥遗传算法全局性和传统算法快速性的特点,文中把它们结合起来,并
加以应用。
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化方法进行气动优化设计,来考察各种方法在高超声速优化设计中的应用情况,
检验优化前后气动性能的改善程度。
关键字:高超声速、气动优化、工程佶算、传统优化法、遗传算法、混合遗传法
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西北工业大学硕士学位论文第一章绪沧
第一章绪论
本章主要阐述高超声速流动的基本特征,空气动力学在高超声速飞行中的作
用,优化方法及气动优化设计。同时还阐述了本文研究背景及主要工作。
§引言
随着现代科学的发展,为了迸一步开发空闯资源,出现了长期在地球轨道上
运行的空间站,天地往返运输系统,就是在地面与空间站之间往返运送人员和物
资的运输工具,它们通常都是以高超声速飞行的。因此,高超声速飞行器具有极
其重要的战略意义和极高的应用价值,高超声速飞行成为航空航天领域研究的热
点之一。
空气动力学技术在进行高超声速飞行起着关键的作用,由于发动机的比;串随
马赫数的增加而下降,因此,对高超声速飞行器气动布局首先提出了降低阻力的
要求。飞行器机动性和起降等性能,对高超声速升阻比和其他性能也提出了新的
要求。飞行器热防护与热结构设计,飞行姿态控制,以及推进系统等也对空气动
力学提出了一批需要研究的新概念。因此,高超声速飞行器的气动特性的研究就
显得尤为重要。
为了获得最佳的气动特性,对飞行器气动特性进行优化设计是必不可少的。
优化设计就是根据给定的设计要求,在现有的工程技术条件下,应用专业理论和
数学规划的理论及方法,在电子计算机上,从满足给定设计要求的许多可行方案
中,按照规定的评价指标,自动选出最优的设计方案。优化设计是工程设计的有
效方法,它使工程设计由经验设计变成为一门科学。优化设计是传统设计的发展,
传统的工程设计,由于专业理论和计算工具的限制,
制定设计方案,随后再对给定疗案进行分析和校核,实际上是以达到规定的设计
要求为止,它只是一个可行的方案。丽优化设计是以达到最优指标为止,它是许
多可行方案中的最优方案。采用最优方法给出迭代公式,通过一步步的迭代技出
最优设计方案。,但
在特殊情况下,有时所寻找的方案与实际情况不符,甚至有时是荒谬的,其毛偏
并不在于最优化方法的本身,而通常是设计者对最优化方法运用不当所致。因而
众多的优化方法,怎样选择使用就显得尤为重要。
硬北工业大学硕士学位论文第一章绪论
§高超声速流动的主要特征
高超声速这一术语是我国著名科学家钱学森于年在他的一
篇重要论文中首创的8叱倭魇撬俣仍洞笥谏俚牧鞫ǔS米杂闪髀砗
数4笥趇作为高超声速流的一种标志㈦川,这个界限不是绝对的,漉动是否是
高超声速流动还和飞行器的具体形状有关。对于钝体#就开始出现高超声速
流动特征,而对于细长体,#辈懦鱿指叱倭鞫匦浴3烁呗砗帐
外,高超声速流还具有以下特点:

将激波与物面间的流动区域称为激波层,激波层薄是高超声速流动的一个特
征。这是因为自由流马赫数越大,激波越强,激波后气体受到的压缩也越大,激
波前后密度之比是小量。根据薄激波层这个特征,建立了包括牛顿理论在内的高
超声速无粘流动的近似分析方法。另一方面,因为激波很薄,足数较低,粘性边
界层很薄,就必须在整个激波层内考虑粘性。
,并可支配整个流畅
由于高超声速激波层薄,边界层厚度与激波层相比不能略去,甚至还会