基于混合网格的声爆/气动一体化设计方法研究

探索了基于混合网格的近场预测以及基于波形参数法的远场预测相结合的声爆预测方法,综合利用了结构化网格计算效率高以及非结构网格对复杂外形适应性好的优点,在保证声爆预测精度的基础上提高了计算效率。在此基础上,建立了基于声爆预测方法、响应面模型和Pareto遗传算法的声爆/气动一体化设计方法。分析表明,发动机短舱对超声速升阻特性和声爆特征都有较大影响,利用声爆/气动一体化设计方法对发动机短舱位置进行了一体化设计研究。结果表明,建立的响应面模型的精度完全满足要求,根据不同的设计偏向选择了三种优化方案,优化后方案的性能较原始方案都有不同程度的提高。     

兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化

发展气动/声爆伴随优化设计方法对于研制新一代超声速客机具有重大意义。典型的气动/声爆伴随优化设计方法分为两种：近场信号的伴随优化和远场声爆预测耦合伴随设计优化。将最新发展的基于离散伴随理论的近场声爆信号反设计与气动特性优化结合,提出兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化策略。首先,概述了伴随方程梯度求解和提出的基于信号射线方法的近场过压提取及目标过压装配过程,并验证了优化流程中近场信号及地面波形预测的准确性。其次,针对超声速民机标模,开展了低阻优化、近场低声爆反设计、兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化三种策略的对比研究,结果表明兼顾气动和近场声爆特性优化策略的伴随优化在综合提升气动和低声爆特性上表现更优。最后与文献中相同算例的优化结果进行对比分析,进一步证明了该优化策略在超声速民机设计中的应用潜力。     

OS﹣X0试验飞行器声爆特性飞行测量与数值模拟分析

声爆问题是目前制约超声速民机研制的核心关键问题。但是,目前国内外关于声爆的飞行试验测试数据非常匮乏,严重制约了声爆预测与低声爆技术发展。基于零壹空间公司的"重庆两江之星"号OS-X0科学试验飞行器,航空工业气动院进行了声爆的飞行试验研究。采用航空工业气动院研发的飞行过程声爆信号地面测量技术成功获得了OS-X0试验飞行器在真实大气环境下的地面声爆信号,借助ARI_Boom声爆数值模拟平台对数据进行了分析和整理。数值计算结果与真实试验测量结果总体符合较好,但仍存在一定差异,这表明真实飞行环境下影响声爆特征的因素较多,在超声速飞行器声爆理论和预测方法等方面还需更深入的研究,同时飞行试验测量技术也有待进一步提高。     

基于增广Burgers方程的超声速客机远场声爆预测研究

声爆问题是限制超声速客机投入使用的巨大阻碍,精确的声爆预测方法是解决超声速客机声爆问题的关键。声爆远场预测方法主要有波形参数法和增广 Burgers 方程法,相较于波形参数法,增广 Burgers 方程法有更完善的模型和更高的预测精度。本文首先对增广 Burgers 方程求解,提出一种有效的非线性效应求解方法;然后基于算子分裂法构建声爆远场预测方法,利用第二届国际声爆研讨会的标准算例对该方法进行验证;最后分析时间、空间网格密度和缓冲信号对预测结果的影响。结果表明：基于 Burgers 方程的声爆求解方法不需要时间、空间网格达到收敛所需的网格密度,而是按照实际精度需求选取适当网格密度;缓冲信号的引入对于大型超声速飞机的声爆预测更加准确。     

一种先进超声速民机低声爆高效气动布局设计

低声爆高效气动布局设计是超声速民机研究的重点和关键技术之一。采用基于声爆最小化理论反设计方法、波系有益干扰后体设计方法、参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法,提出了一种先进超声速民机低声爆气动布局,对每一步降低声爆的效果进行了分析并研究了该布局的全声爆毯特性;采用CFD数值求解近场声爆信号并通过Burgers方程传播到远场,研究了飞行高度、飞行马赫数等参数对该气动布局地面声爆响度的影响;采用CFD数值模拟方法研究了飞行高度、马赫数等参数对该气动布局气动特性的影响。研究表明,采用基于声爆最小化理论反设计方法降低了基准气动布局的地面声爆响度约6.54 PLdB,采用波系有益干扰后体设计方法进一步使地面声爆响度降低了约0.97 PLdB,采用参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法使气动布局地面声爆响度进一步降低了约4.04 PLdB;合理地设计飞行高度、飞行马赫数,可以有效地降低地面声爆响度;合理地选择巡航飞行高度和巡航飞行马赫数,可以有效地提高巡航效率。研究工作对超声速民机气动布局设计具有一定的工程指导价值,对超声速民机总体气动方案设计亦具有一定的工程借鉴意义。     

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。     

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。     

超音速公务机声爆计算与布局讨论

超音速公务机是航空工业的重要发展方向之一,低声爆设计技术是超音速公务机的关键技术,但国内在该领域几乎没有任何研究基础,无法为超音速公务机提供足够的设计支持。为此,介绍了两种计算声爆的方法：一是从超音速流动的线化方程出发,推导体积和升力产生声爆强度的估算方法,该方法适用于飞机概念设计阶段;二是从非线性声学传播方程出发,使用CFD近场结果作为输入,编程计算声爆强度,该方法适用于飞机初步/详细设计阶段。在此基础上,对影响声爆强度的参数进行初步分析,结果表明：飞机重量和飞行高度对声爆强度影响很大,展弦比、翼载等参数对声爆强度的影响较小;＂细长机身＋鸭式布局＋大后掠三角翼＂布局比较有利于减小声爆强度。     

航空器声爆飞行试验测量技术研究进展

声爆影响航空器飞行的安全性、经济性、环保性等，通过飞行试验进行真实条件下的声爆测量是进行声爆问题研究的重要技术手段。声爆飞行试验是一项复杂的系统工程，面临全传播路径声爆测量技术难点。首先，对近70年的航空器声爆飞行试验研究进行概览，总结了技术发展阶段；其次，对声爆传播特征及对测量的要求进行简要分析，总结了声爆飞行试验测量技术方案；再次，对近场至地面的全传播路径声爆测量关键技术以及辅助参数测量技术进行综述，解析技术要点和发展趋势；最后，对声爆飞行试验测量技术及其发展方向进行了总结，且对中国声爆飞行试验技术研究现状进行简略分析，并提出了建议。     

飞机超声速机动飞行条件声爆预测方法

针对飞机超声速机动飞行条件下的超声爆问题，基于广义Tricomi方程建立了表征焦散线附近压力波强非线性演化过程的空间模型，采用伪时间步推进和算子分裂算法，结合时域和频域方法开发了可求解超声爆问题的计算程序ARI＿Superboom。构建的求解方法可分为3个步骤：首先，应用航空工业气动院自主研制的CFD软件ARI＿Overset在三维空间求解N-S方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于自主研发的ARI＿Boom声爆预测程序开展射线追踪和声爆远场传播计算，获得焦散线及指定高度处声爆信号；最后，通过ARI＿Superboom预测程序获得焦聚区的地面超声爆信息。通过飞机超声速匀加速状态下地面产生的超声爆预测算例，验证了基于广义Tricomi方程建立的超声爆预测方法的可行性和准确性。     

基于KZK方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khohklov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播。为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体力学(CFD)方法得到超音速流场;将CFD结果作傅立叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性。预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明：预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量。     

广义Burgers方程声爆传播模型高阶格式离散

声爆预测技术是研制新一代环保型超声速民机的关键技术之一。针对当前基于广义Burgers方程的声爆远场传播模型的数值求解格式精度较低的情况，开展了高阶格式离散方法研究。通过分析该模型中各效应项的物理性质，应用合适的高阶精度格式对各项分别进行离散求解，并采用经典几何声学射线法计算声爆传播路径，实现了对地面声爆波形的精准预测。通过对美国F-5E机型的声爆飞行试验和第二届国际声爆预测研讨会的典型算例进行数值模拟，验证了本文高阶离散方法的可靠性。进一步的结果分析表明，采用高阶离散格式的预测方法相比传统二阶精度预测方法具有明显的低耗散特性，在同等网格数目上可获得更高分辨率的计算结果，且其网格收敛性远优于传统二阶精度格式，同时在计算效率上也有一定优势；在Burgers方程的各效应项中，非线性项的影响更为明显，因而采用高阶离散格式时其优势更为突出；热黏性吸收项对数值结果影响较小，采用高阶离散格式对计算精度的提升效果也不明显，实际计算中仍可以采用传统离散格式，甚至忽略该项的贡献。     

基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响

声爆是发展超声速民机不可回避的关键问题之一。目前流行的声爆预测技术主要针对静止大气，对大气中的湍流扰动效应考虑不足，尚未建立高效高逼真度的预测方法。基于广义Burgers方程的远场声爆预测方法，通过与射线法相结合，建立了一套可考虑热黏性吸收、分子弛豫等物理效应的大气湍流声爆影响快速预测方法，并采用该方法开展了大气湍流强度和大气边界层厚度对典型远程超声速民机的声爆特性影响规律研究。计算结果表明：建立的预测方法能够合理表征热黏性吸收、分子弛豫等大气物理效应，相比前期基于波形参数法框架的预测方法，能够更加真实地反映大气湍流对声爆传播特性的影响；相比于前期的典型超声速公务机，采用的远程超声速民机声爆波形更加复杂，该预测方法仍能给出复杂波系的大气湍流影响规律；随着湍流强度和边界层厚度的增加，大气湍流效应对声爆特性产生的随机性影响呈增强趋势；同时，声爆在地面到达点的位置也呈现出更加分散的趋势，其可能会改变声爆毯对地面的影响范围，应在飞行轨迹规划中予以考虑。     

超声速民机声爆理论、预测和最小化方法概述

超声速民机的低声爆设计涉及到多个相互制约的因素,要实现较理想的声爆水平设计难度相当大,发展准确快速有效的设计方法是非常必要的。在超声速民机概念设计阶段,关于声爆计算的理论方法寥寥可数,标准声爆理论和声爆最小化方法不仅有重要的理论意义,在概念设计中也很有实用价值,因此,我们需要对其有全面深入的认识。文中主要对这两个理论方法及应用进行评述和展望。标准声爆理论以F函数为核心建立了飞机横截面积与声压及声爆之间的关系。声爆最小化方法给出了设计合适的F函数以达到尽可能小的声爆的思路。声爆最小化方法的应用效果受制于初始构型,当应用声爆最小化方法不能达到设计目标时,可能不得不尝试修改初始构型。考虑到该方法的局限性,减小声爆还需要开拓新思路。     

基于Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播.为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体动力学(CFD)方法得到超声速流场;将CFD结果作傅里叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性.预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明:预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量.      

基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法

传统声比拟思想假设声传播介质均匀,所获得的远场噪声积分方法无法考虑近场流动非均匀性引起的声折射效应,声场预测结果往往存在较大的数值误差。为解决上述问题,本文采用声扰动方程描述声波运动,并利用声学互易原理,在频域内构建关联近场声源与远场声压的伴随格林函数,从而将非均匀介质折射效应纳入伴随格林函数。基于伴随格林函数和声扰动方程源项的数值结果,利用积分方程计算气动噪声的空间传播。结合上述方法对二维圆柱和NACA0012翼型绕流噪声开展了数值预测研究,远场声压预测结果与CFD直接计算值吻合。数值研究表明,本文提出的基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法可以考虑非均匀介质对声传播的影响,能够提高气动噪声的预测精度。     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D，开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例，对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证，以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性，提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定，基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序，为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换，并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则，简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录，实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配，将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外，对小型超声速公务机开展了声爆优化，对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

分层大气湍流场对远场声爆传播的影响

研究大气湍流对声爆的影响对于新一代超声速民机的低声爆设计具有重要意义。在真实大气环境中，大气湍流是普遍存在的，其会使低声爆波形在由高空向地面传播的过程中发生扭曲、畸变和振荡，并改变波形的能量分布。利用基于单向近似假设的二维HOWARD方程，以类Tu-144飞机的N型波和经过JSGD声爆最小化理论设计的低声爆波形为对象，研究分层大气湍流对N型波和低声爆波形的影响。首先，介绍了考虑大气边界层湍流效应的声爆传播模拟方法，包括改进的二维HOWARD方程及其离散求解方法、分层大气湍流场的建模方法，并采用JAXA抛体试验数据对预测方法的有效性进行了验证，同时与KZK方程预测结果进行了对比。其次，运用本文发展方法研究了N型波和低声爆波形在分层大气边界层湍流场中的传播情况，对地面可观测波形的主观噪声级和超压峰值进行了统计分析，发现大气湍流对增大N型波和低声爆波形主观噪声级（ASEL、PLdB）的概率很小，但很大程度上会增强波形超压峰值。最后，通过改变大气湍流生成过程中3个参数的数值，研究了不同强度的大气湍流场对声爆波形的影响，结果表明：风速脉动幅值和湍流积分尺度的增强对N型波和低声爆波形的感觉声压级影...     

超声速飞行器近场声爆信号反演技术

超声速民机是新一代民机的重要发展方向，其独有的声爆现象是制约其在陆地上空进行超声速飞行的最关键因素。对超声速飞行器的气动外形进行反设计是声爆抑制的有效途径。基于等效面积分布开展反设计，需要远场感知声压级作为直接指导。为此，提出了逆向传播分别与本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）及伴随方程结合，根据远场声爆信号反演近场声爆信号的方法。采用第二届声爆会议（SBPW）提供的LM1021标模算例，并从远场频域内声压级、响度级和感觉噪声级进行反演可信度评估。结果表明，对于给定的任意远场声爆信号，基于逆向传播结果进行POD反演及伴随方程反演，都可以得到较为准确的近场过压信号，且伴随方程反演方法具有更优的高频信号即局部激波信号反演能力，远场感知声压级更精准。反演结果相应的等效面积分布与参考值高度吻合，表明此方法能够为等效面积指导的低声爆气动优化设计提供基础。     

超声速飞机低声爆布局混合优化方法研究

声爆精确预测及低声爆设计方法已成为新一代军民用超声速飞机研制过程中必须解决的关键难题之一.将改进后的SGD(Seebass-George-Darden)反设计方法、声爆预测算法与遗传算法相结合,形成低声爆布局混合优化方法,利用遗传算法对SGD参数进行优化,得到具有较低声爆超压值和较大有效容积的等效截面积分布,进而得到低声爆布局方案.构建了低声爆混合优化设计环境,可以对方案的声爆水平、感觉噪声级、机体有效容积以及等效截面积分布等进行计算分析,在总体设计阶段具有较高的工程实用价值.优化后的方案采用连翼布局,钝形机头设计,优化后方案的声爆超压值降低了14.51％,机体有效容积增加了15.08％.由于尾部激波强度的不同,地面声爆感觉噪声级随滚转角的变化呈现先变小、后变大、再变小的趋势,对于尾部声爆波形还需进一步优化研究,以降低感觉噪声级.