基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动优化设计研究
基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动优化设计研究
高空螺旋桨设计是航空航天领域的关键技术，其性能直接影响飞行器的效率和续航能力。西北工业大学航空学院的研究团队提出了一种基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动外形优化设计方法，该方法通过拉丁超立方抽样获取初始样本点，建立高斯过程模型，并使用遗传算法和并行加点准则进行子优化，从而快速逼近最优解。研究结果表明，优化后的螺旋桨在设计点推力提高了9.24%，效率提高了8.13%，为高空太阳能无人机等飞行器的推进系统设计提供了新的思路。
研究背景与目的
为了在可接受的时间内获得高空螺旋桨气动方案的最优解，西北工业大学航空学院的研究团队提出了一种基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动外形优化设计方法。该方法以拉丁超立方抽样获取螺旋桨气动外形参数的初始样本点，建立以该参数为输入、数值模拟获取螺旋桨气动性能为输出的初代高斯过程模型；以遗传算法和三种并行加点准则构成的子优化获取新样本点，求取新样本点的气动性能，并更新样本数据和高斯过程模型。该方法可以使新样本点快速向最优解附近集中，从而提高最优解附近的模型近似精度。
方法论
研究团队以课题组自研的6个低雷诺数翼型为基础，使用该方法对某高空太阳能无人机螺旋桨进行优化设计。具体步骤如下：
- 参数化：使用二次函数将螺旋桨形状参数化为8个变量
- 初始采样：采用拉丁超立方抽样获取初始样本点
- 性能评估：通过计算流体力学（CFD）模拟获取螺旋桨气动性能
- 模型建立：建立高斯过程模型关联形状参数与气动性能
- 子优化：使用遗传算法和并行加点准则获取新样本点
- 模型更新：根据新样本点的气动性能更新样本数据和高斯过程模型
实验验证
为了验证模拟方法的准确性，研究团队加工了某高空螺旋桨进行地面试验。试验结果表明，与模拟结果相比，试验推力平均误差为2.34%，扭矩平均误差为3.33%。
优化结果
研究团队使用该方法对某高空太阳能无人机螺旋桨进行优化设计，优化结果显示：螺旋桨在设计点推力提高了9.24%，效率提高了8.13%。优化前后螺旋桨外形对比如图7所示，性能对比如图8所示。在5kW功率时的压力云图对比如图9所示，流线图对比如图10所示。
图 1 部分翼型典型径向剖面示意图
图 3 地面静推力测试
图 4 测试数据和仿真数据对比
图 5 高空螺旋桨贝叶斯优化流程
图 6 优化收敛曲线
图 7 优化前后外形对比
图 8 螺旋桨性能对比
图 9 5 kW功率时压力云图对比
图 10 5 kW功率时流线图对比
表 1 CFD求解器设置
参 数 | 选 项 |
|---|---|
analysis type | steady state |
domain motion | outlet:stationary inlet:rotating |
heat transfer | total energy |
turbulence | shear stress transport |
mesh connection | GGI |
表 2 设计工况
参 数 | 量 值 |
|---|---|
海拔高度/km | 0.5 |
大气压力/kPa | 95.4 |
空气密度/(kg·m–3) | 1.16727 |
风速/(m·s–1) | 0 |
声速/(m·s–1) | 338.37 |
黏度/(N·s·m–2) | 1.77366 × 10–5 |
表 3 设计工况
参 数 | 量 值 |
|---|---|
海拔高度/km | 22 |
大气压力/Pa | 4047.5 |
空气密度/(kg·m–3) | 0.0645098 |
风速/(m·s–1) | 47.3 |
声速/(m·s–1) | 296.377 |
黏度/(N·s·m–2) | 1.43217 × 10–5 |
环境温度/℃ | –70～80 |
表 4 设计变量范围
参 数 | 量 值 |
|---|---|
xtip/mm | 1400 |
n/(r·min–1) | 500～3000 |
croot/mm | 100～400 |
xmax/mm | 420～1260 |
cmax/mm | 100～500 |
ctip/mm | 50～200 |
βroot/(°) | 0～50 |
βtip/(°) | 0～50 |
xp | 1000～10000 |
表 5 优化前后设计变量对比
设计变量 | 优化前 | 优化后 |
|---|---|---|
xtip/mm | 1400 | 1400 |
n/(r·min–1) | 1330.0 | 1232.5 |
croot/mm | 70.16 | 144.94 |
xmax/mm | 723.24 | 474.40 |
cmax/mm | 149.60 | 156.29 |
ctip/mm | 48.62 | 68.59 |
βroot/(°) | 30.20 | 45.02 |
βtip/(°) | 18.23 | 15.03 |
xp | 6895.00 | 9764.07 |
表 6 5 kW设计点气动性能对比
性能参数 | 优化前 | 优化后 |
|---|---|---|
前进比 | 0.762 | 0.825 |
推力/N | 76.8 | 83.9 |
扭矩/(N·m) | 35.90 | 38.94 |
效率 | 0.726 | 0.785 |
桨尖马赫数 | 0.679 | 0.597 |
桨尖雷诺数 | 43920.015 | 57679.476 |
结论
研究结果表明，该方法对高空螺旋桨优化设计及相关工程应用具有较强的参考价值。通过贝叶斯优化框架，可以快速获得高空螺旋桨气动方案的最优解，显著提高螺旋桨的推力和效率，为高空太阳能无人机等飞行器的推进系统设计提供了新的思路。
本文原文来自《中国科学技术大学学报》