一种连续式跨声速风洞部段设计方法及系统及装置及介质与流程

1.本发明涉及风洞设计领域，具体地，涉及一种连续式跨声速风洞部段设计方法及系统及装置及介质。


背景技术：

2.连续式跨声速风洞运行工况通常包含一个连续的区域，这个区域由马赫数ma、稳定段总压p0、总温t0三个参数可能范围组成的三维空间，称为运行包线，其中ma-≤ma≤ma

，p
0-≤p0≤p
0
，t
0-≤t0≤t
0
。对于组成连续式跨声速风洞的部段而言，其压力损失是决定风洞运行成本(即压缩机输入功率)的主要指标。在设计部段过程中，需要在满足其它约束的条件下，选择部段的几何参数，得到压力损失最小的设计方案。通常的单点部段设计，其内涵是针对某个特定的马赫数、稳定段总压、总温，来选择恰当的部段几何参数d，使得部段的压力损失最小化。对于运行包线中的其他工况点，其压力损失通常只将其约束到一定的范围。而为了在整个工况范围内有更好的综合性能，多点设计则选择几个工况点作为设计点，优化部段的几何参数，使得在几个工况点上，压力损失最小化。即便是采取多点设计方法，也不能保证风洞部段在整个运行包线上的综合性能最优。


技术实现要素：

3.为了使得设计出的风洞部段在整个运行包线上的综合性能最优，本发明提供了一种连续式跨声速风洞部段设计方法及系统及装置及介质。
4.为实现上述发明目的，本发明提供了一种连续式跨声速风洞部段设计方法，所述方法包括：
5.步骤1：根据风洞的运行条件，定义风洞运行马赫数、运行压力以及运行包线上各点的概率密度函数；
6.步骤2：获得风洞待设计部段的压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系，基于所述对应关系定义所述η在运行包线上的数学期望e(η)和标准差s(η)，基于所述概率密度函数求取所述e(η)和所述s(η)；
7.步骤3：针对风洞待设计部段的压力损失性能最小化的优化问题，对e(η)和s(η)两个指标开展多目标优化问题求解，得到多目标优化问题的非支配解集合；
8.步骤4：基于风洞设计要求和风洞待设计部段的工况综合性能，从所述非支配解集合中选择获得风洞待设计部段的设计参数。
9.其中，本方法采用基于概率分布函数的方法来描述运行过程中各工况点的权值，提供一种基于数学期望和方差的描述方法，采用多目标优化的方法来求解转化得到的多目标优化问题，最终得到在整个运行包线中所有工况点上综合性能最佳的风洞设计方案。与传统的单个或者多个设计点设计方法相比，得到的设计结果在整个运行包线内各点的综合性能都得到了较好的表征，有利于部段设计性能优化。
10.优选的，本方法中运行包线为马赫数ma、总压p0和总温t0三个参数的取值范围对应
的三维空间，其中，ma-≤ma≤ma

，p
0-≤p0≤p
0
，t
0-≤t0≤t
0
，ma-为马赫数的取值下限，ma

为马赫数的取值上限，p
0-为稳定段总压的取值下限，p
0
为稳定段总压的取值上限，t
0-为总温的取值下限，t
0
为总温的取值上限。
11.优选的，本方法中所述概率密度函数为p(ma,p0,t0)。
12.优选的，本方法中所述概率密度函数的自变量范围是风洞的运行工况组合。
13.优选的，本方法中基于所述概率密度函数求取所述e(η)和所述s(η)，具体为：重复执行若干次预设计算步骤，每次计算对应的采用点数目不同，每次预设计算步骤均获得一计算结果，直至相邻两次预设计算步骤之间计算结果的对应差值满足预设要求，则停止执行预设计算步骤，基于最后一次计算结果获得所述e(η)和所述s(η)，所述预设计算步骤包括：
14.步骤a：在所述运行包线取n个采样点，n为大于1的整数；
15.步骤b：分别对所述n个采样点进行压力损失性能评估，获得评估结果；
16.步骤c：基于所述评估结果和所述概率密度函数计算压力损失性能指标在运行包线上的数学期望和标准差，获得计算结果。
17.优选的，本方法中本方法基于分解的多目标优化算法或基于非支配排序的多目标优化算法进行多目标优化问题求解。
18.优选的，本方法中相邻两次预设计算步骤中，前一预设计算步骤的采样点数目小于后一预设计算步骤的采样点数目。
19.本发明还提供了一种连续式跨声速风洞部段设计系统，所述系统包括：
20.定义单元，用于根据风洞的运行条件，定义风洞运行马赫数、运行压力以及运行包线上各点的概率密度函数；
21.计算单元，用于获得风洞待设计部段的压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系，基于所述对应关系定义所述η在运行包线上的数学期望e(η)和标准差s(η)，基于所述概率密度函数求取所述e(η)和所述s(η)；
22.多目标优化问题求解单元，用于针对风洞待设计部段的压力损失性能最小化的优化问题，对e(η)和s(η)两个指标开展多目标优化问题求解，得到多目标优化问题的非支配解集合；
23.设计参数获得单元，用于基于风洞设计要求和风洞待设计部段的工况综合性能，从所述非支配解集合中选择获得风洞待设计部段的设计参数。
24.本发明还提供了一种连续式跨声速风洞部段设计装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述连续式跨声速风洞部段设计方法的步骤。
25.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述连续式跨声速风洞部段设计方法的步骤。
26.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
27.本方法与传统方法相比不再局限于单个或者多个设计点来进行优化设计，得到的设计结果在整个运行包线内各点的综合性能都得到了较好的表征，有利于部段设计性能优化。
28.本发明利用了多目标优化手段，利用非支配解集合的概念，使得设计优化和决策的过程有清晰的表达，能够为决策部门选择设计方案提供完备的信息。
附图说明
29.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
30.图1为连续式跨声速风洞部段设计方法的流程示意图；
31.图2为某风洞扩散段设计示意图；
32.图3为典型设计下的全工况优化性能示意图；
33.图4为扩散段全工况优化结果示意图；
34.图5为连续式跨声速风洞部段设计系统的组成示意图。
具体实施方式
35.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
37.应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
38.如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
39.本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
40.实施例一
41.请参考图1，图1为连续式跨声速风洞部段设计方法的流程示意图，本发明实施例一提供了一种连续式跨声速风洞部段设计方法，所述方法包括：
42.步骤1：根据风洞的运行条件，定义风洞运行马赫数、运行压力以及运行包线上各点的概率密度函数；
43.步骤2：获得风洞待设计部段的压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系，基于所述对应关系定义所述η在运行包线上的数学期望e(η)和标准差s(η)，基于所述概率密度函数求取所述e(η)和所述s(η)；
44.步骤3：针对风洞待设计部段的压力损失性能最小化的优化问题，对e(η)和s(η)两
个指标开展多目标优化问题求解，得到多目标优化问题的非支配解集合；
45.步骤4：基于风洞设计要求和风洞待设计部段的工况综合性能，从所述非支配解集合中选择获得风洞待设计部段的设计参数。
46.具体实施方案为：
47.实现本发明的技术方案是：
48.(1)根据风洞使用方希望的运行模式，定义风洞运行马赫数、压力和运行包线上各点的概率密度函数，概率密度函数自变量范围是连续式跨声速风洞的全部可能运行工况组合，此处特指马赫数ma，总压p0、总温t0组成的三维空间，称为运行包线，其中ma-≤ma≤ma

，p
0-≤p0≤p
0
，t
0-≤t0≤t
0
。ma-为马赫数的取值下限，ma

为马赫数的取值上限，p
0-为稳定段总压的取值下限，p
0
为稳定段总压的取值上限，t
0-为总温的取值下限，t
0
为总温的取值上限。这个概率密度函数写为p(ma,p0,t0)，采用风洞各工况实际运行中使用的频率作为其概率密度；其中，运行包线就是指马赫数/压力/温度的范围，运行包线中的总压，通常在稳定段给出。。
49.(2)定义跨声速风洞部段几何参数d的性能指标函数，对每个部段而言，这个函数形式并不相同，具体函数形式和得到该函数的过程可以根据本领域中的技术手段来实现，不同的跨声速风洞部段具有不同函数形式的几何参数d，通俗来讲该函数即为风洞待设计部段的压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系，不同的设计部段具有不同的对应关系。本方法在现有的上述函数的基础上开展后续的分析设计工作。
50.部段压力损失性能指标η在运行包线上的数学期望e(η)和标准差s(η)，按照概率密度函数p来求取数学期望e(η)和标准差s(η)，求取部段性能指标在运行包线上的数学期望和标准差，采取近似算法完成，其中，数学期望和标准差由这个关系以及运行包线的概率密度函数共同定义。具体步骤为：1)在包线上n个采样点；2)评估此n个点的性能；3)求得此n个工况点性能的加权和为数学期望，性能与数学期望差值的平方的加权和为标准差，此两处对应的权值均为对应的概率密度；4)增加n的个数，直到数学期望和标准差的计算结果不再发生显著(根据工程需要，定义为变化小于0.001，在实际应用中具体的变化阈值可以根据实际的需要进行灵活的调整，通常是2次的计算中数学期望e(η)和标准差s(η))对应的差值均小于阈值为满足预设要求；其中，采样点的选取一般而言按照拉丁超空间实验设计的方法采样，初始点个数按照性能模型(即部段压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系)的计算复杂度不同来确定。
51.其中，可以利用给定的性能指标函数来评价采样点的性能，性能指标函数针对不同的部段有不同的形式。在具体实施过程中也可以采用其他评估手段进行评估，本实施例不对采用点的性能评估手段进行限制。在传统单点或多点设计方法中，依靠评估设计点的性能来选择设计参数。
52.(3)针对e(η)和s(η)两个指标开展多目标优化，得到多目标优化问题的非支配解集合，此步骤的内涵在于将针对部段压力损失性能最小化的优化问题，转化为运行包线中压力损失系数的数学期望和标准差的多目标优化问题进行求解，最终得到的结果是关于部段性能指标数学期望和标准差的非支配解集合。此处未对多目标问题求解算法进行约束，采取基于分解的多目标优化算法(moea/d)或者基于非支配排序的多目标优化算法(nsga-ii)完成；具体实施过程可参考以下公开文献：
53.moea/d：qingfu zhang,hui li.moea/d:a multiobjective evolutionary algorithm based on decomposition[j/ol].ieee transactions on evolutionary computation,2007,11:712
–
731.https://doi.org/10.1109/tevc.2007.892759.doi:10.1109/tevc.2007.892759.
[0054]
nsga-ii：kalyanmoy deb,samir agrawal,amrit pratap,et al.a fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization:nsga-ii[m/ol]//parallel problem solving from nature ppsn vi.springer berlin heidelberg,2000:849
–
858.
[0055]
(4)将部段设计中单点设计工况的指标最小化，转化为包线范围内性能指标的期望值和标准差的权衡决策问题进行优化决策，权衡全工况平均性能和全工况性能标准差，在非支配解集合中选择最终的设计参数。其中，在实际应用中，通常是根据设计需求获得风洞设计要求，然后结合风洞待设计部段的工况综合性能，从非支配解集合中选择获得风洞待设计部段的设计参数。
[0056]
实施例二
[0057]
在实施例一的基础上，本实施例结合具体的设计方案对本发明中的技术方案进行详细的介绍说明。
[0058]
下面以简化的扩散段为例给出本发明具体实施方式的流程，图2给出该扩散段的结构示意图，图1中d0和d1分别是扩散段入口和出口地水力直径，l0是扩散段长度。该扩散段中入口和出口的直径通常按风洞要求给定，入口的气流速度随着风洞运行状态变化在一定范围内变化。设计要求确定平直段长度和扩散部分的扩散角，使得扩散段的损失最小，设计参数为平直段长度和扩散角α，性能指标为η，其中，ρ为气流密度，v0为气流速度，δp为部段入口到出口压差，具体实施步骤如下：
[0059]
根据风洞的运行条件对应的气流速度，确定扩散段的运行包线，即入口马赫数范围为[0.1,0.6]；
[0060]
假定确定风洞运行过程中各工况点的使用概率相同，则对应概率密度函数p(ma)＝常数；
[0061]
根据扩散段的设计，确定其设计参数为入口平直段长度与入口直径的比值(取值范围0到10)、扩散段的扩散全角(取值范围4
°
到14
°
)，扩散段损失系数η的计算公式由实验结果插值来确定，由于使用工况概率密度函数为常数，e(η)和s(η)即为所有ma范围内对应损失系数的均值和均方差，图3给出典型设计下的全工况性能与对应的综合性能指标示意图，图3中mach number为马赫数，图3中横坐标为马赫数(ma)，纵坐标为性能损失系数，图3中的方框为标注地点是选择作为性能评估点，选择了6个ma数给出的示例。
[0062]
运行多目标优化算法得到非支配解集合如图4，横坐标为部段性能在整个运行工况上的平均值，纵坐标为部段性能在整个运行工况上的偏差值，图4中的x标注点为多目标优化算法确定的非支配解，每个点对应横坐标为性能的期望，纵坐标为性能的标准差。o标注点是假设用户希望均衡性能和性能的偏差所选择的最终设计点；依据风洞设计要求整体损失系数小于0.25，确定一个损失偏差最小的设计点作为确定最优设计点，如图4中“o”点，对应设计参数为平直段长度为入口直径的5倍，扩散段扩散角为5
°
，应全工况多目标性能为
[0.2441,0.0518]，既满足设计要求，又有较好的全工况综合性能。对比常规设计方法，选择ma＝0.6作为设计点来进行设计，最终得到的设计参数为：对应设计参数为平直段长度为0，扩散段扩散角为10
°
。这一设计在全工况范围的损失系数偏差较大，均方根偏差达到性能平均值约46％，这对风洞在全工况范围内的稳定运行较为不利。全工况设计方法的优越性也体现在这里。
[0063]
实施例三
[0064]
请参考图5，图5为连续式跨声速风洞部段设计系统的组成示意图，本发明实施例三提供了一种连续式跨声速风洞部段设计系统，所述系统包括：
[0065]
定义单元，用于根据风洞的运行条件，定义风洞运行马赫数、运行压力以及运行包线上各点的概率密度函数；
[0066]
计算单元，用于获得风洞待设计部段的压力损失性能指标η与几何参数d的对应关系，基于所述对应关系定义所述η在运行包线上的数学期望e(η)和标准差s(η)，基于所述概率密度函数求取所述e(η)和所述s(η)；
[0067]
多目标优化问题求解单元，用于针对风洞待设计部段的压力损失性能最小化的优化问题，对e(η)和s(η)两个指标开展多目标优化问题求解，得到多目标优化问题的非支配解集合；
[0068]
设计参数获得单元，用于基于风洞设计要求和风洞待设计部段的工况综合性能，从所述非支配解集合中选择获得风洞待设计部段的设计参数。
[0069]
实施例四
[0070]
本发明实施例四提供了一种连续式跨声速风洞部段设计装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述连续式跨声速风洞部段设计方法的步骤。
[0071]
实施例五
[0072]
本发明实施例五提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述连续式跨声速风洞部段设计方法的步骤。
[0073]
其中，所述处理器可以是中央处理器(cpu，central processing unit)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor)、专用集成电路(application specific integrated circuit)、现成可编程门阵列(fieldprogrammable gate array)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0074]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的数据，实现发明中连续式跨声速风洞部段设计装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器、还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡，安全数字卡，闪存卡、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0075]
所述连续式跨声速风洞部段设计装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解本发
明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序可存储于一计算机可读存介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读取介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存储器、点载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。
[0076]
本发明已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
[0077]
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
[0078]
此外，本领域技术人员可以理解，本说明书的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本说明书的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本说明书的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
[0079]
计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、rf、或类似介质，或任何上述介质的组合。
[0080]
本说明书各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如java、scala、smalltalk、eiffel、jade、emerald、c 、c#、vb.net、python等，常规程序化编程语言如c语言、visual basic、fortran 2003、perl、cobol 2002、php、abap，动态编程语言如python、ruby和groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(lan)或广域网(wan)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或在云计算环境中，或作为服务使用如软件即服务(saas)。
[0081]
此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母
的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
[0082]
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
[0083]
针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
[0084]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0085]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。