文档介绍：第十六届全国计算流体力学会议
凹腔火焰稳定器多目标优化设计
孟军,施家桐,林博希,阎超
(北京航空航天大学,国家计算流体力学实验室,北京 100191)
摘要:壁面凹腔火焰稳定器在超音速冲压发动机设计中得到广泛应用,对超
声速流动中的火焰稳定起重要作用。然而,壁面凹腔会给飞行器带来较大的阻
力,并且凹腔内会有较高温度。因此,在设计过程中针对壁面凹腔阻力和温度
进行最小化优化就变得十分重要。本文通过试验设计方法选取样本点进行
CFD 计算并以此构建 Kriging 模型,采用遗传算法以阻力和平均温度为优化目
标进行多目标优化,得出外形参数对优化目标影响关系。得到多目标优化设计
的 pareto 前缘。
关键词:多目标优化设计; 火焰稳定器; CFD; 遗传算法; Kriging 模型;
中图分类号:
文献标识码:A 文章编号:

0 引言1 传统火焰稳定器设计方法增加了几何参数,相比传
壁面凹腔火焰稳定器[1]在超燃冲压发动机的设统凹腔设计方法在更大参数空间寻找最优解。
计中得到广泛的应用,能够有效延长来流与燃料混
合时间,对超燃冲压发动机内部燃烧有重要影响。
然而,壁面凹腔会给发动机带来额外的阻力,同时,
由于凹腔内的涡结构,凹腔内部会有较高温度。因

此针对凹腔的阻力和温度优化十分重要。壁面凹腔图 1-1 凹腔火焰稳定器正视图
几何参数对流动特性与燃烧特性的影响研究较为图 1-1 中 L 为凹腔全长,D 为凹腔深度,S 为
成熟,但针对凹腔火焰稳定器的优化较少有人进凹腔后端曲线部分所占长度,幂曲线
行。本文基于 N-S 方程数值解法结合 kriging 代理 mi
x = ()yD−+− LS (1)
模型和多目标遗传算法 NSGA-II,针对凹腔火焰稳

定器进行优化。
数值方法

本文采用北航阎超课题组 MICFD 求解器求解
传统火焰稳定器多采用后向台阶与压缩拐角
N-S 方程[2],该求解器长期经实践检验,在气动力、
组合而成,本文采用后向台阶与幂次曲线组合,较
热计算中均表现出较高性能。计算方法设置中湍流
模型选取为 S-A 模型,其构造简单,鲁棒性好,对
收稿日期:2014-01-15
作者简介:孟军,(1990-),男,吉林人,硕士研究生; 壁面网格质量依赖小;无粘项空间离散使用
论文研究方向:计算流体力学格式,其具有较高的间断分辨率;时间离
基金项目:北航研究生科技创新实践基金(YSCJ-01-201313) Roe-FDS
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散采用 LU-SGS 方法。系数θ可以由极大似然估计给出。
试验设计与替代模型
优化算法
试验设计方法(DOE)是有关如何科学合理安
排实验的数学方法,常用的试验设计方法有正交设 NSGAII 于 2002 年被提出,与基本遗传算法
计、均匀设计、拉丁方设计等。为了能充分反映设[3]相比,NSGAII 在适应度计算方面主要有非支配排
计空间的特性,为构造替代模型提供有代表性的样序及拥挤度排序这两个特性。非支配排序使处于前
本点,本文采用最优拉丁超立方设计。缘