变循环发动机部件法建模及优化

madio

摘要：
本文主要解决的是变循环发动机部件法建模及优化问题。建立了基于多维
$ _2 {0 E  k/ r. T! t* Q& ]非线性隐式方程组的变循环发动机部件模型，分别采用牛顿—拉夫逊法和遗传
算法对模型求解；建立了以发动机推力F 和耗油率scf 为目标的多目标最优化
模型，采用遗传算法对发动机单涵道工作模式下的工作参数进行优化，以使其
达到最佳性能。具体讨论了发动机性能最优时，CDFS 导叶角、低压涡轮导叶
  @+ m( O+ ]0 V* M$ P0 [角、尾喷管喉道面积等发动机参数随飞行马赫数变化的规律。
针对问题一：首先根据附件3 中的标准化公式，对附录4 给出的风扇的增
压比进行标准化处理得到zz 值。然后画出风扇流量在9 种不同的换算转速下随
* b. L6 O" s8 ~0 @- ]  R0 n7 `压比函数值变化的曲线图，如图4 所示。根据附件2 给出的各部件计算公式，
- C" p$ ]9 @( H0 r/ K采用发动机部件建模法求出风扇和CDFS 的出口总温、总压和流量，如下表所
8 Q- {1 Z- Y' \: Z8 C0 g$ K, r- @示：
1 I6 L9 }4 g0 R8 D3 b5 N& D- X9 |指标 出口总温 出口总压 出口流量
风扇 379.2879 1.3057 19.0477
CDFS 420.3209 1.7973 17.1329
针对问题二：在双涵道模式下，建立了发动机工作平衡的多维非线性隐式
! F7 M! ?6 c1 l方程组。针对多维非线性隐式方程组模型的复杂性及隐式性的特点，由于迭代
5 x, l2 ~, Q, W8 R1 O过程存在可能不收敛，因此本文采用了牛顿-拉夫逊法和遗传算法2 种不同算法
进行求解。对于方程组采用两种算法分别求得牛顿—拉夫逊法的满意解和遗传
算法的最优解如下表所示：
/ v9 c& }, [* O+ Z2
变量 H n CL Z CDFS Z CH Z *
4 T TH Z TL Z
牛顿—拉夫逊法 0.950 0.541 0.451 0.306 1800 0.201 0.14
! k$ _7 c# S1 R. S$ @) n遗传算法 0.919 0.455 0.477 0.293 1800 0.172 0.1
* W3 G4 q) h+ C% p. k. ]: A# j% A根据题目要求，在文中陈述了相应算法的关键步骤及其解释，并从多个方
面比较了2 种算法的有效性，结果如下表所示：
评价指标 收敛性 计算精度 计算效率 其他指标
牛顿-拉夫逊法 局部收敛性 高精度 较高 对始值较敏感
; `8 F5 [; L* E$ F  V6 |' U# R遗传算法 全局收敛 高精度 不理想 无始值要求，通用
对于问题三：第1 小问是在单涵道模式下，建立了以发动机推力F 和耗油
% b# k9 ]9 X" L# j% N率scf 为目标的多目标最优化模型，并首先采用加权适应度函数将多目标优化问
* s7 [( R$ S2 ?/ Y题转换为了单目标求解问题，采用遗传算法进行求解，得到发动机性能最优时
CDFS 导叶角度、低压涡轮导叶角度、尾喷管喉道面积值如下表所示：
CDFS  CH  8 A
-5 2.78 9.51103
第2 小问在第1 小问的基础上，增加了马赫数的变化范围从1.1 到1.6，
# @; n" N4 {: u0 |1 {$ e且后混合器内、外涵道可调等条件。采用第1 小问的遗传算法，选定了马赫数
为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 时，求解发动机性能最优时CDFS 导叶角度、
' J' @. L0 r) d) S低压涡轮导叶角度、尾喷管喉道面积的值如下表所示，并分别作出了CDFS 导
6 g0 ?6 F) N  [6 s% o1 x2 [( w' w叶角度、低压涡轮导叶角度、尾喷管喉道面积随马赫数变化规律的曲线图。
) b& z) W. c+ B/ o3 l4 w! `Ma CDFS  CH  8 A F Fs scf
6 T+ V; g5 C1 t. B1 @1.1 -4.89 -0.3600 9.53103 9557.3 719.8540 0.1551
% ~5 ^/ ?& C$ N/ T& v" o1.2 -3.55 -0.8430 9.63103 10292 720.1292 0.1516
1.3 -4.95 0.3930 9.51103 10507 695.1700 0.1520
1.4 -4.99 -4.9900 9.54103 9405.8 612.7537 0.1730
1.5 -5.00 2.7800 9.51103 12458 715.1500 0.1329
1.6 -4.69 6.0300 9.56103 14492 752.7750 0.1164
- v1 j5 v6 p8 ]. Y3 l关键词：多维非线性隐式方程组 牛顿-拉夫逊法 遗传算法 加权适应度函数
多目标优化
0 k$ s) ^* T' F- V' T8 e7 P; o: S5 x