耦合临近空间层流转捩不确定性的高超声速飞行器气动布局优化理论与方法

For the demands of space transportation and fast delivery, improving the performance of hypersonic vehicle, including lift-drag ratio and thermal protection system have become the key points of research. In consideration of the severer skin friction and heat flux of turbulent flow than the laminar flow, the proposal will be focused on the following three aspects: the theory and method for compressible transitional flows based on the concept of intermittency factor, the parametric modeling method based on collaborative free form deformation technique, and the robust optimization technique based on adaptive dynamic surrogate model. The goal is to make a breakthrough on the fore-mentioned aspects and develop an optimization framework considering boundary layer transition and its uncertainty. The transition onset is expected to be delayed through the aerodynamic shape optimization process, so that the laminar part of flow on the vehicle will be enlarged, in other words, the flow maintains laminar on more of the vehicle’s fly path. Finally, the optimization method is expected to decrease the skin friction and heat flux on the wall to improve the vehicle’s performance, and make a great contribution to the design of next generation hypersonic vehicles.

为满足天地往返运输和远程快速投送的紧迫需求，如何提高升阻比和防隔热等的综合性能成为高超声速飞行器设计的研究重点和难点。考虑到湍流相比层流而言，具有较高的摩阻系数和壁面热流系数，因此项目拟针对临近空间高超声速飞行器层流转捩的被动控制问题，研究：1）基于间歇因子当地化概念的可压缩湍流/转捩理论与并行计算方法，2）基于协同自由变形技术的飞行器多自由度参数化方法，3）基于自适应动态代理模型的稳健优化方法等三方面科学问题，突破边界层转捩不确定性理论建模、参数化和计算网格一体化设计、不确定性优化等关键技术，构建考虑边界层转捩及其不确定性的复杂飞行器气动优化设计理论与方法，通过气动布局优化有效延迟高超声速边界层流动转捩，保持高超声速飞行器的层流流动特征，拓展临近空间飞行器的层流飞行空域，降低摩擦阻力和热流，提高高超声速飞行器升阻比和防隔热设计等的综合性能，为新型高超声速飞行器设计奠定理论与技术基础。

为满足天地往返运输和远程快速投送的紧迫需求，如何提高升阻比和防隔热等的综合性能成为高超声速飞行器设计的研究重点和难点。考虑到湍流相比层流而言，具有较高的摩阻和壁面热流，因此项目针对临近空间高超声速飞行器层流流动的被动控制问题，进行了如下研究：1）基于并行化的三维RANS模型计算程序，重新构建了临界动量厚度雷诺数和转捩区域控制函数的经验关系式，省去了转捩动量厚度雷诺数的输运方程，从而建立了简化的三方程工程转捩模型。针对高超声速双楔和尖锥等典型案例，验证了简化转捩模型的模拟能力。通过对转捩模型添加可压缩性修正，有效提升了模型对高超声速转捩区长度、压力分布和热流的捕捉精度；2）基于自由变形技术和代数插值的网格生成方法，构建了灵活高效的飞行器参数化设计体系，完善了气动全局优化设计框架。在此基础上，通过物面灵敏度分析，提出了结合流动物理的设计变量选取策略。该策略减少了设计维度的浪费，有效提升了全局优化的效率和设计效果，表现出优化效果随维度增加而不断提升的趋势，为设计变量和维度的选择提供了参考；3）在飞行参数存在不确定性的情况下，基于多项式混沌展开法对高超声速典型构型开展了气动特性计算和不确定性量化分析，并结合灵活度高、鲁棒性强的参数化设计模块和高效的代理模型技术，发展了稳健优化方法。针对超临界翼型开展了考虑飞行马赫数不确定性的稳健优化，结果表明，优化后阻力发散特性得到显著提升。本项目构建的边界层转捩预测方法和优化设计一体化方法有效推进了流体力学和高超声速气动优化研究，具有重要的理论和工程应用价值。