芬兰超级联赛

2021/05/27

【技術】軸對稱進氣道-AIPOD仿真優化

本次分享內容爲軸對稱可調進氣道的參數化建模及仿真優化,主要包括CAESES參數化建模、自動化仿真流程搭建、喉道方案AIPOD自動尋優、完整進氣道性能驗證四個部分,希望能在進排氣設計方面爲大家帶來更好的思路。以M3+軸對稱進氣道設計爲例(如圖1所示,案例來源于文獻《軸對稱變幾何進氣道初步研究》),該進氣道類型爲混壓式,出口爲亞聲速流動,對接亞燃沖壓發動機。中心錐可前後移動以適應不同的飛行馬赫數。當達到最高飛行馬赫數3.5時(如圖2所示),錐頂點形成的馬赫線剛好與唇口相交。考慮到是軸對稱流場,唇口又采用扇形壓縮面,無法直接通過氣動關系式換算得到最佳波系配置。因此,本文采用了參數化建模和仿真優化相結合的方法,最終實現了基于總壓恢複系數的快速尋優。

芬兰超级联赛

图1 变几何进气道物理模型(来源于文献)

芬兰超级联赛

圖2軸對稱進氣道氣動原理

在混壓式進氣道設計時,需考慮進氣道的起動性能。在CFD計算時,如喉道面積過小或者背壓過大,都會因無法吸入指定流量引起進口倒流,進而導致計算發散,此狀態便無法得到計算結果。所以在設計優化過程中,對方案的起動性能驗證提出了要求。待進氣道能正常起動後,其出口總壓性能則跟喉道後的正激波位置息息相關,在擴張段中正激波越靠近喉道位置,進氣道的出口總壓越高。在仿真計算時,需要逐漸調高進氣道出口背壓,才能獲取接近臨界狀態的最高出口總壓性能。本文的優化操作流程如圖3所示,共分以下4個步驟:

步驟1:在CAESES軟件中創建參數化模型,通過參數控制內唇口、喉道的形狀變化;

步驟2:以批處理形式實現參數化模型導出、結構化網格自動生成、仿真計算、仿真數據導出等仿真流程,實現真個流程的自動化;

步驟3:獲取喉道截面的馬赫數和總壓,通過正激波公式換算得到波後總壓,並以此爲優化目標在AIPOD軟件中搭建優化流程,通過優化算法自動尋優,快速獲取最優喉道方案;

步驟4:在最優喉道方案基礎上,連接完整擴壓器,並通過逐漸調高背壓的方式得到進氣道的最高總壓性能。

芬兰超级联赛

图3  轴对称进气道优化流程



CAESES參數化建模過程



可調軸對稱進氣道方案建模在CAESES軟件中實現,采用了直線、F條線、圓弧等曲線類型,型線如圖4所示。進氣狀態保持不變,因此進氣道的唇口和錐體角度不做優化,設計特點如下:

(a)優化狀態爲最高來流馬赫數M3.5(如有必要,可調整模型得到其他狀態模型);

(b)錐體角度不變,喉道截面與錐體之間通過倒圓過渡,倒圓半徑可變;

(c)爲喉道段添加水平直線段,可實現喉道段範圍及位置變化;

  (d)前缘后的内唇口为直线段,之后采用F样条与喉道实现切向连接,通过角度和曲率参数实现曲线变化;

(e)喉道截面的環形高度可變;

(f) 進氣道出口位置及尺寸不變。

芬兰超级联赛

图4 轴对称进气道型线



自動化仿真流程



为保证计算精度,本方案采用结构化网格(如图5所示),对所有壁面进行套壳加密处理,喉道方案的网格量为4万,扩压器方案的网格量为5万。仿真类型为轴对称,采用远场边界条件,来流马赫数为3.5,湍流模型采用 k-omega SST。

芬兰超级联赛

图5  网格示意图

整個仿真優化流程如圖6所示,完成軸對稱進氣道氣動設計後,使用CAESES軟件實現參數化建模,並用其耦合鏈接功能調用網格和計算腳本,實現仿真流程的自動化。在優化平台軟件AIPOD中搭建完整的計算流程,以批處理的方式調用CAESES腳本(fsc文件),實現參數定義、幾何輸出、仿真計算、結果輸出等仿真過程。通過變量輸入功能,編輯fsc腳本文件,提取文件中的變量參數。通過參數提取功能,讀取仿真結果,並編輯正激波公式換算得到優化目標(波後總壓恢複系數)。最後,調用優化算法實現自動尋優,快速得到優化後的喉道方案和相應的仿真結果。

芬兰超级联赛

图6 优化仿真流程




喉道方案AIPOD自動尋優



圖7-圖11爲AIPOD中的實現優化的操作過程,共進行了8個步驟,依次實現了計算流程搭建,輸入文件添加,輸出文件添加,變量定義寫入,仿真數據讀取,優化目標換算,優化目標選擇,優化算法選擇等過程。

芬兰超级联赛

图7 搭建计算流程

芬兰超级联赛

图8 添加计算文件

芬兰超级联赛

图9 定义优化变量

芬兰超级联赛

图10 换算优化目标

芬兰超级联赛

图11 选择优化算法

原始方案的仿真結果如圖12所示,在來流馬赫數3.5狀態,喉道馬赫數爲1.828,正激波後換算總壓恢複系數爲0.697,完整擴壓器時最高背壓爲200kpa,此時出口最高總壓恢複系數爲0.586。

芬兰超级联赛 

图12 原始方案仿真结果

在AIPOD中,选择独有的SilverBullet算法进行自动寻优,为了验证优化效果,也同时采用Nelder-Mead Simplex算法(单纯形)进行了优化比较。同样设置优化50个方案,Nelder-Mead Simplex算法优化列表如图13所示,因涉及到进气道不起动情况,该算法运行了14步便自动停止,无法继续后续方案的探索。而SilverBullet算法则没有受到不起动方案的影响,完整跑完了设定的50个方案(如图14所示)。

芬兰超级联赛

图13Nelder-Mead Simplex算法优化列表

芬兰超级联赛

图14 AIPOD-SilverBullet算法优化列表

优化历程如图15所示,Nelder-Mead Simplex算法探索到14步便戛然而止,总共得到12个有效结果。而SilverBullet算法则完整跑完设定的50个方案,得到17个有效结果。通过对比,SilverBullet算法在第4步便得到比Nelder-Mead Simplex算法最优解更好的方案,剔除中间30多个无效方案后,第48个方案为最优,表现出该算法在强约束下的稳健探索能力。

以两个优化算法得到的最优喉道方案为基础,添加了扩压器,通过逐渐提高背压仿真得到完整扩压器性能(如图16所示)。相比原始方案,Nelder-Mead Simplex算法最高出口总压提升2.7%,而SilverBullet算法提升了12.3%,优化效果更为显著。通过流场图对比(如图17所示),通过唇口、喉道形状的优化,在保证进气道的正常起动前提下,喉道马赫数由1.8下降到1.5,降低了正激波的总压损失。于此同时,因流动方向改善,扩压器内侧的流动分离影响区域也有所减少。

芬兰超级联赛

图15 优化历程图




完整進氣道性能驗證



以两个优化算法得到的最优喉道方案为基础,添加了扩压器,通过逐渐提高背压仿真得到完整扩压器性能如图16所示。相比原始方案,Nelder-Mead Simplex算法最高出口总压提升2.7%,而SilverBullet算法提升了12.3%,优化效果更为显著。通过流场图对比如图17所示,通过唇口、喉道形状的优化,在保证进气道的正常起动前提下,喉道马赫数由1.8下降到1.5,降低了正激波的总压损失。于此同时,因流动方向改善,扩压器内侧的流动分离影响区域也有所减少。

芬兰超级联赛

圖16 完整擴壓器性能對比

芬兰超级联赛

图17 完整扩压器流场对比

作爲面向工業設計的通用優化平台,AIPOD軟件操作簡單,界面友好,其自研的優化算法SilverBullet整合了智能采樣技術、耦合優化技術,以及一套核心的參數指標動態協調全局優化和局部探索力度,從而實現在(微)小計算規模下的高效優化性能的提升。在本算例的應用過程中,SilverBullet在不起動無法得到結果的影響下,依然跑完了50個方案的探索,展現了穩健的優化探索能力,非常適用于工業領域複雜問題的仿真優化。

此外,AIPOD软件还具备代理模型训练、代理优化等功能,对优化软件感兴趣的朋友可关注芬兰超级联赛公众号或者芬兰超级联赛官网直接聯系我們。

 

參考文獻

1.   滕健,袁化成,軸對稱變幾何進氣道初步研究,中國力學大會,2011.

2.   梁德旺,袁化成,張曉嘉,影響高超聲速進氣道起動能力的因素,宇航學報,2006.

3.   袁化成,梁德旺,高超聲速進氣道再起動特征分析,推進技術,2006.


友情链接:jrs直播  乐鱼体育app