轴对称进气道-AIPOD仿真优化

*图2轴对称进气道气动原理

步骤1：在CAESES软件中创建参数化模型，通过参数控制内唇口、喉道的形状变化；

步骤2：以批处理形式实现参数化模型导出、结构化 格自动生成、仿真计算、仿真数据导出等仿真流程，实现真个流程的自动化；

步骤3：获取喉道截面的马赫数和总压，通过正激波公式换算得到波后总压，并以此为优化目标在AIPOD软件中搭建优化流程，通过优化算法自动寻优，快速获取最优喉道方案；

步骤4：在最优喉道方案基础上，连接完整扩压器，并通过逐渐调高背压的方式得到进气道的最高总压性能。

*图3  轴对称进气道优化流程

一、CAESES参数化建模过程

可调轴对称进气道方案建模在CAESES软件中实现，采用了直线、F条线、圆弧等曲线类型，型线如图4所示。进气状态保持不变，因此进气道的唇口和锥体角度不做优化，设计特点如下：

（a）优化状态为最高来流马赫数M3.5（如有必要，可调整模型得到其他状态模型）；

（b）锥体角度不变，喉道截面与锥体之间通过倒圆过渡，倒圆半径可变；

（c）为喉道段添加水平直线段，可实现喉道段范围及位置变化；

  (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）喉道截面的环形高度可变；

（f） 进气道出口位置及尺寸不变。

*图4 轴对称进气道型线

二、自动化仿真流程

为保证计算精度，本方案采用结构化 格（如图5所示），对所有壁面进行套壳加密处理，喉道方案的 格量为4万，扩压器方案的 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。

*图5   格示意图

*图6 优化仿真流程

三、喉道方案AIPOD自动寻优

图7-图11为AIPOD中的实现优化的操作过程，共进行了8个步骤，依次实现了计算流程搭建，输入文件添加，输出文件添加，变量定义写入，仿真数据读取，优化目标换算，优化目标选择，优化算法选择等过程。

*图7 搭建计算流程

*图8 添加计算文件

*图9 定义优化变量

*图10 换算优化目标

*图11 选择优化算法

原始方案的仿真结果如图12所示，在来流马赫数3.5状态，喉道马赫数为1.828，正激波后换算总压恢复系数为0.697，完整扩压器时最高背压为200kpa，此时出口最高总压恢复系数为0.586。

*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）。

*图13Nelder-Mead Simplex算法优化列表

*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。

*图15 优化历程图

四、完整进气道性能验证

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。

*图16 完整扩压器性能对比

*图17 完整扩压器流场对比

作为面向工业设计的通用优化平台，AIPOD软件操作简单，界面友好，其自研的优化算法SilverBullet整合了智能采样技术、耦合优化技术，以及一套核心的参数指标动态协调全局优化和局部探索力度，从而实现在（微）小计算规模下的高效优化性能的提升。在本算例的应用过程中，SilverBullet在不起动无法得到结果的影响下，依然跑完了50个方案的探索，展现了稳健的优化探索能力，非常适用于工业领域复杂问题的仿真优化。

参考文献

1.   滕健，袁化成，轴对称变几何进气道初步研究，中国力学大会，2011.

2.   梁德旺，袁化成，张晓嘉，影响高超声速进气道起动能力的因素，宇航学 ，2006.

3.   袁化成，梁德旺，高超声速进气道再起动特征分析，推进技术，2006.