A review on design of experiments and surrogate models in aircraft real-time and many-query aerodynamic analyses

Full scale aerodynamic wind tunnel testing, numerical simulation of high dimensional (full-order) aerodynamic models or flight testing are some of the fundamental but complex steps in the various design phases of recent civil transport aircrafts. Current aircraft aerodynamic designs have increase in complexity (multidisciplinary, multi-objective or multi-fidelity) and need to address the challenges posed by the nonlinearity of the objective functions and constraints, uncertainty quantification in aerodynamic problems or the restrained computational budgets. With the aim to reduce the computational burden and generate low-cost but accurate models that mimic those full order models at different values of the design variables, Recent progresses have witnessed the introduction, in real-time and many-query analyses, of surrogate-based approaches as rapid and cheaper to simulate models. In this paper, a comprehensive and state-of-the art survey on common surrogate modeling techniques and surrogate-based optimization methods is given, with an emphasis on models selection and validation, dimensionality reduction, sensitivity analyses, constraints handling or infill and stopping criteria. Benefits, drawbacks and comparative discussions in applying those methods are described. Furthermore, the paper familiarizes the readers with surrogate models that have been successfully applied to the general field of fluid dynamics, but not yet in the aerospace industry. Additionally, the review revisits the most popular sampling strategies used in conducting physical and simulation-based experiments in aircraft aerodynamic design. Attractive or smart designs infrequently used in the field and discussions on advanced sampling methodologies are presented, to give a glance on the various efficient possibilities to a priori sample the parameter space. Closing remarks foster on future perspectives, challenges and shortcomings associated with the use of surrogate models by aircraft industrial aerodynamicists, despite their increased interest among the research communities.

بررسی بر روی طراحی آزمایش‌ها و مدل‌های جانشین در زمان واقعی هواپیما و بسیاری از تحلیل‌های آیرودینامیک مورد پرس و جو

آزمایش تونل باد با مقیاس کامل، شبیه‌سازی عددی مدل‌های آیرودینامیک ابعادی بالا (مرتبه کامل)یا آزمایش پرواز برخی از گام‌های اساسی اما پیچیده در مراحل مختلف طراحی هواپیماها در سال‌های اخیر است. طراحی آیرودینامیک هواپیماهای فعلی دارای پیچیدگی (multidisciplinary، چند هدفه و چند -)و نیاز به پرداختن به چالش‌های ناشی از غیر خطی بودن توابع عینی و محدودیت‌ها، تعیین مقدار عدم قطعیت در مسایل آیرودینامیک یا بودجه‌های محاسباتی محدود می‌باشد. با هدف کاهش بار محاسباتی و تولید مدل‌های دقیق اما دقیق که مدل‌های سفارش کامل را در مقادیر مختلف متغیرهای طراحی تقلید می‌کنند، پیشرفت‌های اخیر شاهد مقدمه، در تحلیل‌های زمان حقیقی و بسیاری از روش‌های مبتنی بر جانشین، به عنوان روش‌های شبیه‌سازی سریع و ارزان‌تر هستند. در این مقاله، یک بررسی جامع و جامع در مورد تکنیک‌های مدلسازی جایگزین و روش‌های بهینه‌سازی مبتنی بر جانشین، با تاکید بر انتخاب مدل‌ها و اعتبار سنجی، کاهش ابعاد، تحلیل حساسیت، محدودیت‌های کنترل یا پر کردن و توقف معیارها ارائه شده‌است. مزایا، اشکالات و بحث‌های تطبیقی در به‌کارگیری این روش‌ها شرح‌داده شده‌است. علاوه بر این، این مقاله خوانندگان را با مدل‌های جانشینی که به طور موفقیت آمیزی به میدان عمومی دینامیک سیالات اعمال شده‌اند، تعمیم می‌دهد، اما هنوز در صنعت هوافضا به کار گرفته نشده است. به علاوه، بررسی رایج‌ترین روش نمونه‌گیری مورد استفاده در اجرای آزمایش‌ها فیزیکی و شبیه‌سازی در طراحی آیرودینامیک هواپیما می‌باشد. Attractive یا طراحی‌های هوشمند به ندرت در زمینه و بحث در مورد روش‌های نمونه‌برداری پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرند، تا نگاهی به احتمالات کارآمد مختلف به یک نمونه قبلی از فضای پارامتری ارایه دهند. اظهارات پایانی بر دیدگاه‌های آینده، چالش‌ها و کاستی‌های مربوط به استفاده از مدل‌های جانشین توسط aerodynamicists صنعتی هواپیما، علی‌رغم افزایش علاقه آن‌ها در میان جوامع تحقیقاتی، افزایش می‌یابد.

ترجمه شده با