物理指导的激波抖振抑制翼型优化设计研究Physics-guided airfoil optimization design for shock buffet suppression马启悦高传强*邬晓敬张伟伟引用格式 Ma Q, Gao C, Wu X, et al. Physics-guided airfoil optimization design for shock buffet suppression[J]. Advances in Aerodynamics, 2026, 8(1): 7.导读激波抖振是航空工程中常见的流动不稳定性问题之一显著影响飞行品质并限制飞行包线。本文提出了一种物理指导的气动优化设计框架用于提升跨声速区域的抖振起始边界。抖振不稳定性机制与定常流场中流动分离的程度以及激波的空间演化密切相关。因此该优化框架基于深度确定性策略梯度DDPG算法在综合考虑翼型优化的各类气动约束的同时重点优化稳定流场中的激波位置与分离区范围。对于 RAE2822 翼型在15%的参数形变范围内优化方案使该翼型的激波抖振起始迎角提升了 0.7°且其综合气动性能同步得到了显著改善。一、研究背景及现状一旦飞机进入抖振状态抖振所导致的飞行不稳定性将引发持续的脉动载荷严重影响飞行品质甚至造成结构损伤。因此在翼型气动外形优化ASO设计阶段抑制激波抖振至关重要这与飞机的运输能力、作战性能及气动特性密切相关。非定常气动外形优化常以减小脉动载荷幅值、提升抖振起始边界为目标。但受限于跨声速非定常数值模拟的高昂计算开销该方法难以高效应用。因此亟需选取与抖振直接相关的定常流场特征作为优化目标实现高效且物理可解释的气动优化进而实现抖振抑制。本文结合抖振边界预测工作的核心结论提出一种物理指导的强化学习气动外形优化框架如图1所示。通过利用激波与分离区这两种定常流场特征指导翼型参数优化有效提高了抖振起始边界。图1 深度确定性策略梯度DDPG方法与定常流场特征的交互框架二、定常流场特征分析基于数值仿真数据首先对抖振定常流场的激波和分离区这两种特征进行分析。其中激波位置SW表示为在翼型上表面x轴方向速度达到声速时弦线方向上的最远点。分离特征通过分离比Ssep进行量化定义为翼型周围边界层的分离长度与总长度之比用以测量分离区域的大小。其中Lsep和Lref分别表示翼型表面的分离长度和参考长度。V为局部实际流速V∞为自由来流速度。以上的RAE2822翼型为例随着攻角在某一马赫数下的增加激波首先向翼型后缘移动。在激波到达最大位置后又转向前缘移动随之发生抖振如图2所示。结果表明抖振始发与激波的最大位置有一定的相关性。特别是对于小扰动翼型参数的优化可以认为激波位置的变化规律基本保持不变。因此在抖振始发状态附近激波位于整体变化的下降部分。将激波向后缘移动有助于远离抖振的始发。图2 RAE2822翼型的激波位置特性分离比随着攻角增加而逐渐增大并且在发生较大分离时抖振发生如图3所示。通过优化设计实现降低分离比可以有效地减小分离区的尺寸从而减少流动的不稳定性。因此利用这两个特性开展抖振抑制的优化设计。图3 RAE2822翼型的分离比特性在优化设计过程中根据激波位置和分离比的变化趋势来制定目标。激波所对应的最大位置和抖振始发位置随马赫数和翼型的改变而变化明显。因此当使用激波位置作为优化目标时选择5%的CST翼型扰动作为参数优化空间以满足小扰动下修正机翼剖面的气动性能和抖振边界的设计要求。在不同的马赫数和翼型条件下分离比通常从零开始。尽管抖振始发时的分离比各不相同但随着攻角的增大分离比逐渐增大直至抖振发生。因此选取15%的CST翼型扰动作为分离区特征指导设计的参数优化空间。三、翼型优化设计算例Case1激波位置特征指导的RAE2822翼型优化设计选择激波位置作为优化目标时以5%的CST参数扰动作为参数优化空间。强化学习奖励根据以下等式进行设置。基于不稳定定常流场优化前后对应的气动性能见表1。在此状态下激波向后缘移动其位置增加了3.6%同时升阻比提高了15%。表 1 RAE2822翼型激波指导优化前后的气动性能对比图4为Ma 0.75时翼型优化前后的时间平均力系数的比较气动性能较优化前略有改善。在Ma 0.75的设计状态抖振始发攻角从3.4˚提高到3.7˚升力系数的脉动幅值如图5 (a)所示。图5 (b)为非设计状态下抖振始发边界的比较在Ma 0.70和Ma 0.72处的抖振边界改善了0.3˚。图4 激波指导优化前后的气动性能对比Ma 0.75Re 1.2×107图5 RAE2822翼型激波指导优化前后的抖振始发边界对比Case2分离比特征指导的RAE2822翼型优化设计选择分离比作为优化目标时强化学习奖励的设计旨在减少分离区大小以抑制抖振调整权重因子如下所示。基于稳态仿真的优化前后气动性能如表2所示。在此状态下分离率显著降低了69%激波与分离之间的相互作用被中断实现了抖振抑制。表2 RAE2822翼型分离指导优化前后的气动性能对比图6显示了在Ma 0.75条件下基于URANS模拟对应的优化前后时间平均力系数的比较。可以看出在较大攻角下升阻比有显著改善。在设计状态Ma 0.75时抖振始发攻角从3.4˚提高到4.1˚如图7(a)所示。而在非设计状态Ma 0.70和Ma 0.72时始发攻角分别提高了0.5˚和0.6˚如图7(b)所示。优化结果显示随着参数扰动范围的扩大分离比出现显著降低抖振始发边界的提升效果更加明显。图6 分离指导优化前后的气动性能对比Ma 0.75Re 1.2×107图7 RAE2822翼型分离指导优化前后的抖振始发边界对比四、结论本文利用定常流场的激波与分离特征指导开展了翼型气动优化设计从而有效抑制激波抖振现象。通过基于DDPG算法构建一个智能体与定常流场环境的交互框架单次设计点的流场求解时间从非定常数值仿真的小时级缩减至定常仿真的分钟级。在优化过程中重点选取定常基流中的激波位置与分离区作为典型流场特征并将其作为优化目标有效推迟了激波抖振始发边界同时提升了气动性能。公众号原文链接文末附论文资源https://mp.weixin.qq.com/s/9K01KYWRiK823nehow_-rw相关论文推荐AST | 西工大马启悦、高传强等基于流场特征信息神经网络的激波抖振始发预测MSSP | 西北工业大学马启悦高传强等融合激波位置的跨声速抖振气动载荷辨识注文章由原作者投稿分享向本公众号授权发布。