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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

声爆研究的现状与挑战

声爆是超声速飞行器所特有的一种气动声学现象,其涉及空气动力学和非线性声学等研究领域,开展相关研究具有重要的学术意义和应用前景。本文简述了声爆的基本概念、主要特征和主要危害,简要回顾了声爆的产生、发展和演化的研究历史,重点介绍了声爆的数值模拟、风洞试验和飞行试验预测方法,以及近年来提出的声爆抑制方法和低声爆气动优化设计方法的发展现状;最后总结了当前声爆预测方法面临的技术难点和挑战。     

多保真度的混合低声爆优化设计方法研究

超声速民用客机低声爆的设计需求不断牵引着低声爆优化设计方法的发展。目前基于伴随理论发展的设计方法由于具备高效高精度的特点已被广泛应用于常规飞行器的精细化设计中,但该方法推广应用到声爆反设计中时遇到近场目标过压信号难以设定的难题。为了有效克服该缺点,通过引入基于Seebass-George-Darden(SGD)理论的设计方法,进而发展了一种高低搭配的多保真度低声爆混合优化设计方法。结果表明：在保证容积约束条件下,地面声压级降低3.31PLdB,优化效果明显,多保真度混合低声爆优化设计方法具有良好的应有前景。     

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。     

超声速飞行器声爆/气动力综合设计技术研究

低声爆气动外形设计是超声速民机研发的一项关键技术。基于笛卡尔无黏求解器进行了典型民机构型的低声爆设计选型,主要研究了机身轴线弯曲度、机翼平面形状、机身截面积特征等因素对近场过压分布的影响,最终选型出一种超声速飞机气动布局。在此气动布局基础之上,结合自主研发的流场/声爆耦合伴随优化设计软件AMDEsign,在指定的低噪声水平声爆信号的条件下,通过对远场声爆信号进行高效反设计,实现了超声速低声爆气动外形的大规模设计变量数值优化,感觉噪声级大幅度降低,分析了外形变化对声爆抑制作用以及近场波系形态,同时也验证了综合设计技术的有效性。     

基于增广Burgers方程的音爆远场计算及应用

音爆的精确模拟对于超声速客机的低音爆研究与设计意义重大。由于计算能力的限制,客机巡航高度的音爆全场直接模拟目前还难以实现。现有的音爆预测方法一般分为两步,先通过超声速线化理论或计算流体力学的方法得到音爆近场的过压值（Over-pressure）分布,再通过声学理论将近场声压信号推进至远场,以获得飞行器的地面音爆信号。在远场计算中,传统的波形参数法没有考虑音爆传播过程中的经典吸收和分子驰豫效应所造成的声能损失,得到的激波没有厚度,导致计算得到的远场声压级不准确。基于算子分裂法,开展了非线性声学中的增广Burgers方程的数值解法研究。通过计算第二届音爆预测研讨会（SBPW-2）发布的两个标准算例,验证了该方法可以实现地面音爆波形的精确预测。发现在近场声压信号前加入一段无幅值的缓冲信号可以有效提升"N"波上升时间的模拟精度。网格收敛性研究表明适当加密计算网格是有必要的。在此基础上研究了大气声吸收对地面波形的影响,发现分子驰豫效应的影响要强于经典吸收。最后,研究了不同湿度、温度对地面音爆波形的影响,发现干燥、低温的环境对音爆信号的过压值有抑制作用。     

静音锥对超声速客机声爆水平的影响

静音锥低声爆是通过在超声速飞机头部加装静音锥将机头产生的强激波转化为一系列互不叠加的弱激波,从而降低声爆。以一种“梭式”布局的超声速客机为基本模型,采用计算流体力学和波形参数法相结合的方法,研究不同参数的单级和多级静音锥对超声速客机声爆水平的影响。结果表明：静音锥的长度可以调节激波的干涉程度;静音锥的直径和圆锥顶角可以改变静音锥的初始超压值;静音锥级数对上升时间影响显著。     

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。     

静音锥对超声速客机声爆水平的影响分析研究

静音锥低声爆的基本原理是通过在超声速飞机头部加装静音锥将机头产生的强激波转化为一系列互不叠加的弱激波,从而达到降低声爆的目的。论文以一种“梭式”布局的超声速客机为基本模型,采用CFD和波形参数法相结合的方法,研究了不同参数的单级和多级静音锥对超声速客机声爆水平的影响。结果表明,静音锥的长度可以调节激波的干涉程度;静音锥的直径和圆锥顶角能改变静音锥的初始超压值;静音锥级数对上升时间影响显著。     

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.      

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...     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场,采用修正波形参数方法,开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先,应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes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Von Karman能量谱,采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场;最后,采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比,均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%,使得地面声爆特征减弱的概率约为45%,故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征;均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小,但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

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.     

基于概率模型的声爆试验数据分析

声爆是研制超声速民用飞机所需解决的关键问题之一,风洞试验是开展声爆研究的重要方式。简要介绍了进行声爆试验的方法与困难及相应的应对措施,以及超声速风洞声爆试验模型近场空间压力精确测量技术。重点针对国际上通常采用的精确测量数据修正技术：参考车次方法及空间平均方法,分析其原理及不足。提出概率模型方法对声爆试验进行数据分析,将复杂的风洞环境中各种不确定因素所造成的干扰参数化,用概率模型表达其不确定性。概率模型方法无需进行参考车次试验,用更少的数据得到更为准确的结果,并在与传统方法结果对比中表现出了该方法的合理性及可行性。