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实验室近年来的代表性成果

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气动构型理论与优化设计方法

发布时间： 2011-01-01 来源：字体： [ 大中小 ]

研究类型	应用基础研究
完成单位署名排序	中国科学院力学研究所
本室参加的固定人员名单	杨国伟、王发民、崔凯、陈春刚、郭迪龙、雷麦芳、杨焱等
是否保密	否

1、成果简介

?? 以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器飞行时，其激波和摩擦阻力急剧增加，进而引发飞行器的升阻比屏障、升阻比-热防护矛盾、阻力-容积率矛盾等一系列新问题。对于高超声速飞行器设计而言，既要保证飞行器的高性能，又要保证发动机的正常工作，因此必须采用一体化气动构型优化设计，是高超声速技术的关键问题之一。?????????

实验室应用发展的乘波体设计方法、???????? ?????????????????????????计算技术、基于CFD的优化设计方法，并集成了自主提出的和目前常用湍流模型、网格分区方法、并行计算载荷平衡处理技术，发展了针对复杂气动外形的优化设计与流动分析的计算平台，成功地应用于高超声速飞行器、大飞机、高速列车的气动外形设计与研究，获得了重要研究成果。???????? CFD?

2、主要成果和创新点

（1）在计算格式方面，将已有的高精度紧致格式（FC）与模拟激波间断流动的TVD格式、ENO格式、WENO格式结合，构造了无自由参数的3种高精度格式，提高了高速流动中连续和间断共存复杂流场技术模拟的准确性。其中包括二阶FC-TVD，三阶FC-ENO、FC-WENO格式、五阶FC-ENO、FC-WENO格式。另外，使用多矩方法，构建了一类具有局地重构特性的高精度数值格式。?????????

（2）基于Metis网格分区方法，发展了混合网格的分区算法，保证载荷平衡，提出了一种网格块之间的分层MPI通信方式，能提高通信效率和减少通信拥堵。集成自主提出和目前常用的计算格式、湍流模型，建立了基于混合网格的CFD计算平台，该平台适合于复杂工程流场模拟，且并行计算效率达到90%。?????????

（3）针对气动布局优化反复调用CFD软件计算气动性能，计算量难以承受的问题，发展了基于二次多项式和人工神经网络模型的CFD响应面模型，同时将同伦函数引入全局遗传优化算法。优化过程中，调用CFD响应面模型替代CFD直接计算，使基于CFD的复杂工程优化设计成为可能。?????????

（4）提出了一种基于背景四面体网格变形的混合网格变形方法，解决了混合网格的变形困难和计算效率低下的问题。进一步发展了流体/结构耦合隐式时间推进方法、流体/结构数据转换方法，开发了基于混合网格的大规模并行计算的流/固耦合分析软件，为我国飞行器非线性流/固干扰研究提供的研究手段。?????????

（5）通过自主开发CFD软件、流固耦合分析软件、CFD替代模型及优化算法的集成，建立了气动构型优化设计平台。?????????

3、成果应用情况??????

（1）基于高超声速气动构型设计理论和优化方法，实验室分别针对乘波体外形和高超声速一体化构型开展研究，设计出了目前发表文献中升阻比最高的乘波体外形，风洞试验数据表明，其最大升阻比达5.93。在此基础上与发动机相结合，设计了高超声速飞行器一体化优化构型。相关技术申报国家发明专利两项，申请号200910085441.5和200910077354.5。研究进展为高超声速飞行器设计提供了支撑数据?????????

（2）针对我国新一代高速列车设计性能指标要求，开展了新头型气动阻力、升力计算研究，为新一代高速列车研制提供了设计支撑数据。线路实车试验表明：新一代高速列车380A，时速350公里运行总阻力减少了6.1%，噪声下降了7%，尾车升力降低了51.7%、侧向力降低6.1%。完成了基于CRH3的新一代高速列车局部减阻定型设计，气动阻力减少8.67%，本项研究主要成员作为项目负责人承担了国家科技支撑计划项目“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”，作为首席科学家成功申请了973项目“时速??????500????????公里??????条件下的高速列车关键力学问题研究”。?????????

（3）完成了某无人机静气动弹性性能优化设计、现役和正在研制的多个军用飞机型号的气动弹性研究任务、ARJ21民用飞机颤振边界预测，正在承担大飞机C919型架外形反设计研究和xxxx工程高超声速飞行器的热气动弹性研究。已将飞行器流固耦合分析平台在多家航空研究所推广应用。?????????

4、重要引用或评价

（1）???????? ?????????????????????????计算方法研究进展的相关论文发表在Journal o f Computational Physics（2006，Vol.216，p.114-137），入选JCP2006度TOP25 Hottest Article,???????????????????????????????????排名第3位。???????????

（2）新一代高速列车380A，时速350公里运行总阻力减少了6.1%；???????? ?????????????????????????高速列车局部减阻定型设计，气动阻力减少8.67%。实验室在气动构型理论与优化设计方面的贡献得到了铁道部应用单位的高度评价。???????? CRH3?

（3）项目主要成员被聘为“中国高速列车自主创新联合行动计划”总体专家组成员（2008年），入选新世纪百千万人才工程国家级人?。?/span>2009年），评为中国科学院先进生产工作者（2010年），作为首席科学家申请到973项目（2010年）。?????????

5、成果清单??????

序号	成果类型	成果名称	完成人	刊物、出版社或授权单位名称	年、卷、期、页或专利号
1????????????	论文	Shape Optimization for Hypersonic Arc-wing Missiles????????????	Cui K, Yang GW????????????	Journal of Spacecraft Rockets????????????	2010, 47(4): 694-700????????????
2????????????	论文	Aerodynamic characteristics research on wide-speed range waverider configuration????????????	Wang FM, Ding HH, Lei MF????????????	Science in China E: Technological Sciences????????????	2009, 52(10):2903-2910????????????
3????????????	论文	Response Surface Technique for Static Aeroelatsic Optimization on a High-Aspect-Ratio Wing????????????	Yang GW, Chen DW, Cui K????????????	Journal of Aircrafts????????????	2009, 46(4):???????????? 1444-1450????????????
4????????????	论文	Euler Solution using Adaptive Cartesian Grid with a Gridless Boundary Treatment????????????	Xiang L, Yang GW????????????	Acta Mechanica Sinica Acta????????????	2009, 25(3): 187-196????????????
5????????????	论文	Hybrid finite compact WENO schemes for shock calculation, International,????????????	Shen YQ, Yang GW????????????	International Journal for Numerical Methods in Fluids????????????	2007, 53(4): 531-560????????????
6????????????	论文	The effect of conical flowfields on the performance of waveriders at Mach 6????????????	Cui K, Yang GW????????????	Chinese Science Bulletin????????????	2007, 52(1): 57-64????????????
7????????????	论文	Waverider configurations derived from general conical flowfields????????????	Cui K, Zhao DX, Yang GW????????????	Acta Mechanica Sinica????????????	2007, 23: 247-255????????????
8????????????	论文	High-resolution finite compact difference schemes for hypersonic conservation laws????????????	Shen YQ, Yang GW, Gao Z????????????	Journal of Computational Physics????????????	2006, 216(1): 114-137????????????
9????????????	论文	Transonic aeroelastic numerical simulation in aeronautical engineering????????????	Yang G????????????	International Journal of Computational Fluid Dynamics,????????????	2006, 20(5): 339-347????????????
10????????????	论文	Numerical simulation and experimental investigation about internal and external flows????????????	Wang T, Yang GW, Huang GJ, et al????????????	International Journal of Computational Fluid Dynamics????????????	2006, 20(5): 315-322????????????
11????????????	论文	基于CFD分析的弧形翼导弹气动外形优化	崔凯,杨国伟	中国科学(G辑:物理学力学天文学)????????????	2009,39(6):865-873????????????
12????????????	论文	CFD结合降阶模型预测阵风响应	杨国伟,王济康	力学学报	2008,40(2):145-153?????????????
13????????????	论文	三角翼受迫俯仰滚转耦合运动的气动特性研究	郭迪龙,杨国伟,康宏琳等	空气动力学报	2007,25(1):65-69????????????
14????????????	软件登记	基于任意锥体流场的乘波体设计软件V1.0????????????	崔凯	国家版权局	2009SR07444????????????
15????????????	软件登记	非线性反设计和参数识别工具箱软件NIP V1.0????????????	崔凯	国家版权局	2010SR041456????????????

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附件：

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