高速飞行器气动光学流场机理研究与光学窗口设计

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携带光学设备的飞行器在高速飞行时,其光学头罩周围流场内的复杂结构会引起目标图像的偏移、抖动和模糊,这些被称为气动光学效应(Aero-Optical Effect)。气动光学效应严重影响了机载光学设备对目标特征的识别和对目标轨道的判断,从而无法捕捉和跟踪目标。为了减小气动光学效应的不利影响,需要从机理上认识流场结构对气动光学性能的影响规律。论文以高速飞行器气动外形一体化设计为出发点,以高速飞行器光学窗口为研究对象,提出适用于高速流场气动光学研究的数值模拟方法,建立高速流场气动光学性能评价方法,以此为基础完成对流场气动光学性能的机理分析,实现了高速飞行器光学窗口外形初步设计。本文的主要工作有:针对高速流场气动光学研究数值模拟方法的不足,基于传统雷诺平均/直接模拟蒙特卡罗(RANS/DSMC)混合算法,提出了适用于高速流场气动光学研究的数值模拟方法。该方法适用于飞行空域大的高速飞行器,并能满足高速流场的气动光学研究中对流场脉动信息的需求。基于气动外形一体化设计的思想,从流场的角度出发,提出评估高速流场气动光学性能的评价方法。推导出能表征流场中各点气动光学性能的偏折因子,通过统计学方法完成对流场整体的气动光学性能量化评价。该评价方法能揭示流场结构与气动光学性能之间的联系,通过流场参数直接计算流场的气动光学性能,为高速飞行器气动外形一体化设计中考虑气动光学因素提供便利。完成高速流场的气动光学机理研究。通过试验与数值模拟的方法对流场气动光学特性进行分析,获得了时均与脉动流场中特征结构对气动光学性能的影响规律:时均流场引起的气动光学效应远远高于脉动流场;时均流场的气动光学效应主要发生在激波与边界层附近区域;脉动流场的气动光学效应主要发生在边界层内;增大飞行器攻角,减小马赫数,可以改善其绕流流场的整体气动光学性能。完成窗口外形参数对窗口视野区域气动光学性能影响的分析。通过试验设计与参数化建模的方法构建模型样本集,对各样本的气动光学性能进行评估,初步归纳出窗口外形参数对气动光学性能的影响规律,为光学窗口的设计打下了基础。完成高速飞行器光学窗口的初步设计。以气动光学性能最大化为目标,利用Kriging近似模型与遗传优化方法,实现对光学窗口五个外形参数的设计。通过两轮设计,最终获得的设计方案在气动光学性能指标上较基准模型提高了15.97%。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
插图目录第13-15页
插表目录第15-16页
第一章 绪论第16-26页
    1.1 引言第16页
    1.2 气动光学效应第16-18页
        1.2.1 气动光学效应的表现第16-17页
        1.2.2 气动光学效应的产生第17-18页
    1.3 气动光学研究现状第18-23页
        1.3.1 气动光学研究的发展阶段第18-20页
        1.3.2 气动光学研究的方法第20-21页
        1.3.3 国内气动光学研究现状第21-22页
        1.3.4 主要困难与发展趋势第22-23页
    1.4 论文的主要工作第23-26页
        1.4.1 论文的总体研究思想第23-24页
        1.4.2 论文的创新点第24页
        1.4.3 论文的组织结构第24-26页
第二章 高速流场气动光学数值模拟方法研究第26-55页
    2.1 混合算法概述第26-30页
        2.1.1 混合算法的理论基础第27-28页
        2.1.2 传统混合算法的发展第28-29页
        2.1.3 传统混合算法的流程第29-30页
    2.2 适用于高速流场气动光学数值模拟的混合算法第30-46页
        2.2.1 RADAO 算法的特点第30-31页
        2.2.2 RADAO 算法的基本方程第31-35页
        2.2.3 RADAO 算法的数值计算方法第35-42页
        2.2.4 RADAO 算法的边界条件第42-46页
    2.3 RADAO 算法的验证第46-54页
        2.3.1 边界匹配性校验第46-48页
        2.3.2 时均流场结构校验第48-52页
        2.3.3 脉动流场结果校验第52-54页
        2.3.4 计算效率对比第54页
    2.4 本章小结第54-55页
第三章 高速流场气动光学评价方法研究第55-70页
    3.1 传统气动光学评价方法概述第55-58页
    3.2 高速流场气动光学评价方法第58-63页
        3.2.1 评价原则第58页
        3.2.2 基本假设第58-59页
        3.2.3 偏折因子第59-60页
        3.2.4 流场离散化第60-61页
        3.2.5 流场的气动光学评价指标第61-63页
    3.3 评价方法的应用第63-69页
        3.3.1 模型与工况第63页
        3.3.2 偏折因子分析第63-66页
        3.3.3 综合评价指标分析第66-69页
    3.4 本章小结第69-70页
第四章 高速流场气动光学机理分析第70-98页
    4.1 流场整体结构的试验研究第71-77页
        4.1.1 试验原理与设备第71-73页
        4.1.2 模型与工况第73-74页
        4.1.3 试验结果校验第74-75页
        4.1.4 流场结构第75-77页
    4.2 尖劈凹窗的机理分析第77-85页
        4.2.1 尖劈凹窗流场结构第77-79页
        4.2.2 时均流场结果第79-84页
        4.2.3 脉动流场结果第84-85页
    4.3 双锥凹窗的机理分析第85-93页
        4.3.1 双锥凹窗流场结构第86-87页
        4.3.2 时均流场结果第87-91页
        4.3.3 脉动流场结果第91-93页
    4.4 攻角与马赫数的影响第93-97页
        4.4.1 攻角的影响第93-95页
        4.4.2 马赫数的影响第95-97页
    4.5 本章小结第97-98页
第五章 窗口外形参数的气动光学性能分析第98-113页
    5.1 试验设计概述第98-100页
        5.1.1 均匀试验设计第99页
        5.1.2 拉丁超立方试验设计第99-100页
    5.2 模型参数化与设计域第100-102页
    5.3 单因素分析第102-106页
        5.3.1 试验设计表与适应值第102-104页
        5.3.2 结果分析第104-106页
    5.4 多因素分析第106-111页
        5.4.1 试验设计第106-107页
        5.4.2 凹窗单个外形参数分析第107-109页
        5.4.3 凹窗多个外形参数耦合分析第109-111页
    5.5 本章小结第111-113页
第六章 高速飞行器光学窗口设计第113-128页
    6.1 高速飞行器光学窗口设计问题的提出第113-114页
    6.2 优化设计概述第114-115页
    6.3 优化方法与近似模型第115-121页
        6.3.1 优化方法概述第115-116页
        6.3.2 遗传算法的实现第116-118页
        6.3.3 近似模型概述第118-120页
        6.3.4 Kriging 模型的实现第120-121页
    6.4 高速飞行器光学窗口设计的实施第121-127页
        6.4.1 设计策略第121-122页
        6.4.2 设计流程第122-124页
        6.4.3 设计结果第124-127页
    6.5 本章小结第127-128页
第七章 结论与展望第128-131页
参考文献第131-140页
试验模型设计图(附录1)第140-141页
CATIA 参数化建模脚本(附录2)第141-142页
致谢第142-143页
攻读博士学位期间已发表或录用的论文第143页
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