变循环发动机部件法建模及优化

madio

摘要：
( d7 n+ d; E4 n8 c6 e) p/ o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
. G* F1 f& ^4 H2 E' I# }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
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。
8 j8 t; m4 h, u# z  A( s' v3 I2 q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
. z; S& a$ M) T& A6 Y) ~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
# N" r! Q3 n- Q9 x9 T) j) G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，
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
示：
1 }. n, B0 F, T* k# c# W指标 出口总温 出口总压 出口流量
/ I0 N" e1 A6 {/ n* O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
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
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
" ?, F) O- |+ `6 a  U4 N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
  W4 d1 \! ~+ |# i) ?  X! \8 z算法的最优解如下表所示：
# _2 ]4 p- o2 Z: A0 N2
& l9 N# e' E7 l" {6 \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
' T4 s4 p* G+ U6 r# H: w# F遗传算法 0.919 0.455 0.477 0.293 1800 0.172 0.1
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
: O( H" R; S5 T# ~; ]1 m6 z. \面比较了2 种算法的有效性，结果如下表所示：
! ~. }; g- K! ~3 l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
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
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
. F- U  y7 u& R3 t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
( ?3 U: y! U& v. m. V! JCDFS 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：
! k6 C1 j( d% V6 k+ X- g* h, {CDFS  CH  8 A
+ M6 L5 }7 c% J1 H' D2 c-5 2.78 9.51103
2 m. d" d- Q0 }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，
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
1 f. z" w$ b. O0 {) S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、
0 P7 ?" h" E+ L4 ^- _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
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。
Ma CDFS  CH  8 A F Fs scf
' e4 h# u4 S& c7 s: X0 X1.1 -4.89 -0.3600 9.53103 9557.3 719.8540 0.1551
1.2 -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
9 ^( j. X6 s7 L3 c1.4 -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
2 a) U/ k& ?2 D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