基于仿生表面肋条减阻的元启发式优化框架

在技术中模拟自然机制已成为优化和改进现有机械的一种非常高效的手段。肋条即是见于鲨鱼身上的此类仿生表面图案。其几何特性会诱发二次流，从而降低阻力，使鲨鱼能够达到如此高的速度。二次流大致分为普朗特第一类和第二类；肋条诱发的二次流主要属于普朗特第二类。这些二次流已被证明可通过减少动量损失来延迟边界层分离。本文旨在优化此类仿生图案在翼型上的使用。通过在翼型上施加带肋条表面，可延迟边界层分离，从而减小阻力并提高临界攻角。肋条的高度和波长等具体几何特性被改变以寻找最优设计。该设计框架将优化算法、计算流体动力学和后处理分析相耦合。由于入侵杂草模型在收敛至全局最优附近方面表现优异，故采用其进行优化。优化过程通过生成具有随机分布几何参数的肋条剖面种群来初始化。这些剖面经过多代演化，目标为最小化阻力，而阻力通过 OpenFOAM 上开展的计算流体动力学模拟求得。与裸翼型相比，优化后的几何形状显示出显著的阻力减小。最后，对基于遗传算法建立的优化几何形状进行流场分析，以理解肋条诱发的翼型气动效率提升。