CN119442492A - 一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，属于流动协同控制领域，包括：设计后掠机翼几何模型，并仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线，利用DMD动态模态分解进行处理，得到一阶主导模态结构云图，并确定后掠机翼抖振类型、控制装置和位置参数设计方法，得到更新后的后掠机翼几何模型；根据更新后的抖振类型和更新后的响应曲线进行验证，完成后掠机翼的设计。本发明基于DMD动态模态分解技术，通过分析后掠机翼的流场数据得到抖振类型，针对机翼的流动特性选择相应的控制装置和位置参数设计方法，能够针对性地抑制和消除机翼抖振，降低机翼设计中的参数优化难度，提升设计效率。

Description

一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法

技术领域

本发明属于流动协同控制领域，具体涉及一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法。

背景技术

为了降低波阻，避免机翼剧烈失速，需要进行跨声速飞行的飞行器大都采用后掠翼，但是后掠翼上会出现更为复杂的跨声速抖振流动。后掠翼的激波面除了在每个流向剖面上表现为与二维问题相似的前后往复运动之外，从三维特征上呈现了激波面的展向波动现象。因此，不同于二维翼型的跨声速抖振频谱表现出明显的峰值，三维后掠机翼跨声速抖振会有一定的宽频特性，存在弦向和展向两种失稳模式。此时单一控制装置无法同时消除三维跨声速抖振两种失稳模式所造成的不同方向上的宽频脉动载荷现象。因此需要设计针对跨声速流动宽频多失稳模式的联合控制机翼。

但是，由于联合控制待寻优参数过多，如果能够通过流场特征分析指导部分控制参数设计，便能够降维联合控制参数空间，提升控制律设计效率。DMD(Dynamic ModeDecomposition，动模态分解)方法作为一个流场区域的全局稳定性分析方法，能够表征空间中不同流动结构模态沿流向的发展历程，具有指导控制装置位置参数和形状参数的潜力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，解决了设计跨声速流动宽频多失稳模式的联合控制机翼时，联合控制待寻优参数过多而设计困难的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，包括以下步骤：

S1：设计后掠机翼几何模型，并仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线；

S2：根据后掠机翼的流场快照，利用DMD动态模态分解进行处理，得到一阶主导模态结构云图；

S3：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼抖振类型、控制装置和位置参数设计方法，并对后掠机翼进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型；

S4：根据更新后的后掠机翼几何模型，得到更新后的抖振类型和更新后的响应曲线；

S5：根据S1中的响应曲线、S3中的抖振类型、更新后的抖振类型和更新后的响应曲线，对更新后的后掠机翼几何模型进行验证，完成后掠机翼的设计。

本发明的有益效果为：本发明基于DMD动态模态分解技术，通过分析后掠机翼的流场数据得到抖振类型，并设计相应的控制装置和方法，能够有效抑制和消除机翼抖振，降低了机翼设计中的参数优化难度，提升设计效率，并通过主导模态指导机翼的控制设计，精确针对流动特性，设计出简单高效的控制策略，能够显著削弱机翼升力系数响应中的高频成分，增强飞行器在跨声速飞行时的性能和安全性。

进一步地：所述S1的具体步骤如下：

S101：设计后掠机翼的几何形状和尺寸，得到后掠机翼几何模型；

S102：对后掠机翼几何模型进行网格划分，并通过配置数值求解器设置后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法；

S103：根据后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法，仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线。

上述进一步方案的有益效果为：本发明通过设计后掠机翼几何模型，并进行网格划分和配置数值求解器，通过仿真为后续模态分析提供了流场快照和响应曲线，提高机翼设计优化的效率和可靠性，并降低了设计成本和风险。

进一步地：所述S2的具体步骤如下：

S201：根据后掠机翼的流场快照，构建得到流场快照矩阵和流场快照矩阵的映射；

S202：根据流场矩阵，利用DMD动态模态分解进行数学变换，得到统一形式的流场矩阵；

S203：根据统一形式的流场矩阵的模态影响力，对统一形式的流场矩阵进行排序，并选择最大的模态影响力对应的流场矩阵，得到一阶主导特征模态；

S204：根据一阶主导特征模态，得到一阶主导特征模态对应的一阶主导模态结构云图。

上述进一步方案的有益效果为：本发明利用DMD动态模态分解对后掠机翼流场快照进行分析，能够有效识别出主导抖振模态，提高了机翼设计的针对性和有效性，便于后续对机翼的优化设计。

进一步地：所述流场快照矩阵和流场快照矩阵的映射的表达式分别如下：

其中，为流场快照矩阵的映射，为高维流场的系统矩阵，为后掠机翼的流场快照，为第二流场快照矩阵，为第一流场快照矩阵，为后掠机翼流场快照的数量，为第个后掠机翼流场快照，为第个后掠机翼流场快照。

上述进一步方案的有益效果为：本发明通过构建快照矩阵，将高维流场数据降维，便于流畅数据的处理和分析，并保留了流场中的动态信息；通过流场快照矩阵的映射，便于处理大量的流场数据，提高计算效率。

进一步地：所述统一形式的流场矩阵的表达式如下：

其中，为第个后掠机翼流场快照，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为Frobenious范数归一化的第个DMD模态；

所述模态影响力的表达式如下：

其中，为第个模态在整个采样空间内的影响力大小，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为后掠机翼流场快照的数量，为时间，为三维流场中各网格点的坐标信息，为第个后掠机翼流场快照。

上述进一步方案的有益效果为：通过统一形式的流场矩阵，能够准确识别出对后掠机翼抖振影响最大的一阶主导模态，为后续的控制设计提供依据；通过一阶主导模态结构云图，能够直观展示了主导模态的空间分布，便于针对性地进行机翼设计。

进一步地：所述S3的具体步骤如下：

S301：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼的抖振类型；

S302：根据后掠机翼的抖振类型，得到抖振类型对应的控制装置；

S303：根据抖振类型和控制装置，采用对应的位置参数设计方法对后掠机翼的几何模型进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型。

上述进一步方案的有益效果为：本发明针对不同的抖振类型，采取不同的控制装置和位置参数设计方法，能够针对性地对机翼进行设计，提高机翼的气动性能和飞行安全性。

进一步地：所述后掠机翼的抖振类型包括：一阶激波展向模态和一阶激波弦向模态；

所述一阶激波展向模态的控制装置为被动鼓包；

所述一阶激波弦向模态的控制装置为尾缘舵面；

所述一阶激波展向模态的位置参数设计方法为在机翼的各展向条带中线位置处设置沿弦向排布的被动鼓包；

所述一阶激波弦向模态的位置参数设计方法为在机翼的翼尖处设置同晃动范围长度相近的尾缘舵面。

上述进一步方案的有益效果为：在识别后掠机翼的抖振类型后，针对性地选择被动鼓包、尾缘舵面以及各自对应的位置参数设计方法，能够有效抑制一阶激波展向模态和一阶激波弦向模态引发的抖振，本发明针对性的机翼设计方法提高了控制措施的精确性和效率，能够优化机翼的气动性能和安全性。

进一步地：所述S5中验证的具体方式包括：

判断更新后的抖振类型是否与S3中的抖振类型一致，若是，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型，否则，完成后掠机翼的设计；

判断更新后的响应曲线是否与S1中的响应曲线中的升力系数是否被削弱，若是，完成后掠机翼的设计，否则，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型。

上述进一步方案的有益效果为：本发明通过对比更新前后的抖振类型和响应曲线，提高了机翼设计效率，确保了机翼设计的科学性和有效性，提搞了飞行器的气动性能和飞行安全。

附图说明

图1为一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法。

图2为有无鼓包后掠机翼的升力系数响应的对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，包括以下步骤：

S1：设计后掠机翼几何模型，并仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线；

S2：根据后掠机翼的流场快照，利用DMD动态模态分解进行处理，得到一阶主导模态结构云图；

S3：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼抖振类型、控制装置和位置参数设计方法，并对后掠机翼进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型；

S4：根据更新后的后掠机翼几何模型，得到更新后的抖振类型和更新后的响应曲线；

S5：根据S1中的响应曲线、S3中的抖振类型、更新后的抖振类型和更新后的响应曲线，对更新后的后掠机翼几何模型进行验证，完成后掠机翼的设计。

在本发明的一个实施例中，S1的具体步骤如下：

S101：设计后掠机翼的几何形状和尺寸，得到后掠机翼几何模型；

S102：对后掠机翼几何模型进行网格划分，并通过配置数值求解器设置后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法；

S103：根据后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法，仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线。

在本发明的一个实施例中，S2的具体步骤如下：

S201：根据后掠机翼的流场快照，构建得到流场快照矩阵和流场快照矩阵的映射，其中，通过S1的仿真，得到个时刻的流场快照，可以写成从1到时刻的流场快照序列形式，即，其中第个时刻的流场快照表示为列向量，且任意两个相邻快照之间的时间间隔均为，因此，假设流场快照可以通过流场快照的线性映射表示为：

其中，为高维流场的系统矩阵，如果后掠机翼的动态系统为非线性，则线性映射的过程就是线性估计过程，根据假设的线性映射关系，系统矩阵能够反映系统的动态特征；由于的维数很高，需要通过降阶的方法从数据序列中计算出，便于后续进行DMD动态模态分解，根据1到时刻的流场快照，建立两个流场快照矩阵，其表达式分别如下：

其中，为第一流场快照矩阵，为第二流场快照矩阵，为后掠机翼流场快照的数量；得到流场快照矩阵的映射的表达式如下：

S202：根据流场矩阵，利用DMD动态模态分解进行数学变换，得到统一形式的流场矩阵，统一形式的流场矩阵的表达式如下：

其中，为第个后掠机翼流场快照，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为Frobenious范数归一化的第个DMD模态；

S203：根据统一形式的流场矩阵的模态影响力，对统一形式的流场矩阵进行排序，并选择最大的模态影响力对应的流场矩阵，得到一阶主导特征模态；

其中，模态影响力的表达式如下：

其中，为第个模态在整个采样空间内的影响力大小，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为后掠机翼流场快照的数量，为时间，为三维流场中各网格点的坐标信息，为第个后掠机翼流场快照；根据模态影响力，对各个模态进行排序，选择最大的模态影响力对应的流场矩阵，得到对应的一阶主导特征模态；

S204：根据一阶主导特征模态，得到一阶主导特征模态对应的一阶主导模态结构云图，将一阶主导特征模态画成三维图，得到一阶主导模态结构云图。

在本发明的一个实施例中，S3的具体步骤如下：

S301：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼的抖振类型；

其中，后掠机翼的抖振类型包括：一阶激波展向模态和一阶激波弦向模态；当后掠机翼的一阶主导模态结构云图以激波展向效应为主导时，后掠机翼的抖振类型为一阶激波展向模态，当后掠机翼的一阶主导模态结构云图以激波弦向效应为主导时，后掠机翼的抖振类型为一阶激波弦向模态；

S302：根据后掠机翼的抖振类型，得到抖振类型对应的控制装置；

一阶激波展向模态的控制装置为被动鼓包，通过被动鼓包阻隔机翼展向流动来抑制和消除激波展向效应；

一阶激波弦向模态的控制装置为尾缘舵面，通过控制尾缘舵面来抑制激波弦向效；

S303：根据抖振类型和控制装置，采用对应的位置参数设计方法对后掠机翼的几何模型进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型；

其中，抖振类型为一阶激波展向模态，控制装置为被动鼓包，此时后掠机翼的空间形态主要呈现为展向交错条带结构，反映机翼上表面展向流动特性，其对应的位置参数设计方法为在机翼的各展向条带中线位置处设置沿弦向排布的被动鼓包，阻断后掠机翼上表面展向流动；

抖振类型为一阶激波弦向模态，控制装置为尾缘舵面，此时后掠机翼的空间形态主要呈现为翼尖处弦向晃动结构，其对应的位置参数设计方法为在机翼的翼尖处设置同晃动范围长度相近的尾缘舵面；

在本发明的一个实施例中，根据更新后的后掠机翼几何模型，能够按照S1、S2和S3，得到更新后的抖振类型和更新后的响应曲线。

在本发明的一个实施例中，根据S1中的响应曲线、S3中的抖振类型、更新后的抖振类型和更新后的响应曲线，对更新后的后掠机翼几何模型进行验证，完成后掠机翼的设计；其中，S5中验证的具体方式包括：

判断更新后的抖振类型是否与S3中的抖振类型一致，若是，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型，否则，完成后掠机翼的设计；比如，控制前主导模态为一阶激波展向模态，而控制后主导模态变为一阶激波弦向模态，便认为控制设计有效；

判断更新后的响应曲线是否与S1中的响应曲线中的升力系数是否被削弱，若是，完成后掠机翼的设计，否则，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型；如图2所示，为有无鼓包后掠机翼的升力系数响应的对比图；可知，无鼓包机翼的升力系数存在高频变化，在0.3秒到1.4秒多次振动，根据本发明的一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，对机翼施加鼓包控制后，鼓包机翼的升力系数响应中代表激波展向效应的高频成分被削弱，说明了鼓包控制的有效性。

本发明的有益效果为：本发明基于DMD动态模态分解技术，通过分析后掠机翼的流场数据得到抖振类型，并设计相应的控制装置和方法，能够有效抑制和消除机翼抖振，降低了机翼设计中的参数优化难度，提升设计效率，并通过主导模态指导机翼的控制设计，精确针对流动特性，设计出简单高效的控制策略，能够显著削弱机翼升力系数响应中的高频成分，增强飞行器在跨声速飞行时的性能和安全性。

Claims (8)

1.一种针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计后掠机翼几何模型，并仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线；

S2：根据后掠机翼的流场快照，利用DMD动态模态分解进行处理，得到一阶主导模态结构云图；

S3：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼抖振类型、控制装置和位置参数设计方法，并对后掠机翼进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型；

S4：根据更新后的后掠机翼几何模型，得到更新后的抖振类型和更新后的响应曲线；

S5：根据S1中的响应曲线、S3中的抖振类型、更新后的抖振类型和更新后的响应曲线，对更新后的后掠机翼几何模型进行验证，完成后掠机翼的设计。

2.根据权利要求1所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述S1的具体步骤如下：

S101：设计后掠机翼的几何形状和尺寸，得到后掠机翼几何模型；

S102：对后掠机翼几何模型进行网格划分，并通过配置数值求解器设置后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法；

S103：根据后掠机翼数值仿真的边界条件、物理模型和数值算法，仿真得到后掠机翼的流场快照和响应曲线。

3.根据权利要求1所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述S2的具体步骤如下：

S201：根据后掠机翼的流场快照，构建得到流场快照矩阵和流场快照矩阵的映射；

S202：根据流场矩阵，利用DMD动态模态分解进行数学变换，得到统一形式的流场矩阵；

S203：根据统一形式的流场矩阵的模态影响力，对统一形式的流场矩阵进行排序，并选择最大的模态影响力对应的流场矩阵，得到一阶主导特征模态；

S204：根据一阶主导特征模态，得到一阶主导特征模态对应的一阶主导模态结构云图。

4.根据权利要求3所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述流场快照矩阵和流场快照矩阵的映射的表达式分别如下：

其中，为流场快照矩阵的映射，为高维流场的系统矩阵，为后掠机翼的流场快照，为第二流场快照矩阵，为第一流场快照矩阵，为后掠机翼流场快照的数量，为第个后掠机翼流场快照，为第个后掠机翼流场快照。

5.根据权利要求3所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述统一形式的流场矩阵的表达式如下：

其中，为第个后掠机翼流场快照，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为Frobenious范数归一化的第个DMD模态；

所述模态影响力的表达式如下：

其中，为第个模态在整个采样空间内的影响力大小，表示在第时刻下第个归一化DMD动态模态分解模态的时间系数，为后掠机翼流场快照的数量，为时间，为三维流场中各网格点的坐标信息，为第个后掠机翼流场快照。

6.根据权利要求1所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述S3的具体步骤如下：

S301：根据一阶主导模态结构云图，确定后掠机翼的抖振类型；

S302：根据后掠机翼的抖振类型，得到抖振类型对应的控制装置；

S303：根据抖振类型和控制装置，采用对应的位置参数设计方法对后掠机翼的几何模型进行更新，得到更新后的后掠机翼几何模型。

7.根据权利要求6所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述后掠机翼的抖振类型包括：一阶激波展向模态和一阶激波弦向模态；

所述一阶激波展向模态的控制装置为被动鼓包；

所述一阶激波弦向模态的控制装置为尾缘舵面；

所述一阶激波展向模态的位置参数设计方法为在机翼的各展向条带中线位置处设置沿弦向排布的被动鼓包；

所述一阶激波弦向模态的位置参数设计方法为在机翼的翼尖处设置同晃动范围长度相近的尾缘舵面。

8.根据权利要求1所述的针对宽频激波抖振的联合控制机翼设计方法，其特征在于，所述S5中验证的具体方式包括：

判断更新后的抖振类型是否与S3中的抖振类型一致，若是，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型，否则，完成后掠机翼的设计；

判断更新后的响应曲线是否与S1中的响应曲线中的升力系数是否被削弱，若是，完成后掠机翼的设计，否则，后掠机翼的设计无效，返回S1，并根据S2中的一阶主导模态结构云图调整后掠机翼几何模型。