基于逆向增广Burgers方程的声爆反演技术

声爆问题一直是制约超声速客机发展的障碍之一,因此低声爆设计技术在超声速客机的设计中尤为重要。逆向增广Burgers方程可将中场声压信号反演至近场,能够为低声爆反设计工作提供优化目标。围绕逆向增广Burgers方程展开研究,运用算子分裂法和正则化伪抛物型方程法对逆向方程进行数值求解,并求取对应的反向等效面积。借助3个标准算例,对数值方法的收敛性、求解准确度、不同中场高度及不同周向角下反演技术的计算精度进行了研究。针对逆向增广Burgers方程的特点,探讨了在中场设置目标波形进行反设计方法的可行性,并对声压信号中高频分量的传播特性进行了研究。研究认为上述方法能够较为准确地完成中场至近场的声压信号反演计算,并且使用中场目标波形代替地面目标波形能减轻反演距离对反演计算过程的影响。     

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。     

超声速飞行器声爆飞行试验与声爆预测评估

声爆问题是超声速民机研制中首要解决的关键问题之一。声爆飞行试验是研究超声速飞行器声爆特性的最直接手段,可为声爆预测方法和低声爆设计技术提供真实可信的验证数据,对新一代低声爆超声速民机设计具有重要意义。中国航空研究院与中国飞行试验研究院发展了基于传感器阵列的地空一体化地面声爆测量技术,开展了国内首次超声速飞机声爆专项测试飞行试验,采集了多组真实大气条件下的声爆实测数据,验证了飞行试验方案的合理性。在飞行航迹正下方测得的声爆波形具有显著相关性,声爆信号头激波峰值相对误差在18%左右,尾激波峰值相对误差在8%左右,声爆持续时间均为0.1 s。对比分析了地面声爆实测数据与数值预测结果,发现：飞行器从测量阵列正上方飞过时,得到的声爆信号基本形态一致、持续时间较接近,声爆信号头激波、机翼前缘激波峰值相对误差小于5%;由于计算模型简化和声爆长距离传播的非线性累积效应等因素,导致声爆信号预测值与实测值在局部特征上有一定差异;后续还需深入研究真实大气环境下的超声速声爆远场传播预测方法。     

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。     

典型声爆研究模型近场预测统计量化分析评估

声爆预测是超声速民机设计的关键技术.排除认知不确定性因素外,近场声爆预测能力的成熟度主要取决于所采用的计算流体力学(CFD)求解方法捕捉激波间断的能力.以共用研究模型旋成体和三角翼作为研究对象,选取典型截面声爆信号过压峰值强度和位置为系统响应量,开展了初步的不确定度量化分析评估.结果表明,当前对简单构型的预测还不够准确...     

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。     

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。     

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...     

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。     

超声速低声爆布局分层优化方法

声爆抑制是发展新一代超声速民机必须突破的关键技术。总体布局参数的合理设计可以使飞行器具有良好的声爆特性。为了提高全局进化算法在布局设计中的优化效率,提出一种基于数据挖掘的分层优化方法,利用数据挖掘中的决策树算法提取设计知识,获得设计变量分层信息,指导低声爆布局分层优化;针对某超声速低声爆飞行器,选取后掠角、上反角、展弦比、梢根比、长细比五个总体布局参数作为设计变量,开展分层优化数值实验,并与一体化优化形成对比验证。结果表明：分层优化方法能够搜索到与一体化优化高度吻合的最优解,分层优化的收敛速度显著高于一体化优化,且对随机寻优历程的表现更稳健。     

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。     

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。     

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。     

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.      

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。     

基于两层POD和BPNN的翼型反设计方法

翼型优化过程需要大量的 CFD 分析,计算量大、耗时长。本文发展基于本征正交分解（POD）和反向传播神经网络（BPNN）的翼型反设计方法,该方法的优化过程如下：首先,通过 Hicks-Henne 参数化,在设计空间中构造翼型外形的样本库,并利用 Xfoil/Fluent 对样本翼型的流场进行求解;然后,对翼面压力系数和几何外形分别建立 POD 模型,即两层 POD 模型,并得到对应的基模态系数;最后,使用 BPNN 建立从压力系数的基模态系数到几何外形的基模态系数的映射,实现在给定压力系数下对几何外形的快速预测。通过算例分析,结果表明：在亚/跨声速状态,基于 200 个样本训练所得的两层 POD+BPNN 模型可以实现对具有目标压力系数分布的翼型的预测,其精度满足翼型反设计要求。     

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.     

基于特征正交分解的跨声速流场重构和翼型反设计方法研究

在二维流场的重构问题中应用特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)数据处理方法。利用CFD技术计算得到的流场快照对气动力模型进行降阶,然后利用基于POD的降阶模型(Reduced Order Model,ROM)对所需的流场参数进行重构,在快照范围内可以得到高精度的结果,且具有一定的外插能力。在翼型反设计问题中该方法仍然是成功的,通过修正快照向量,利用基于POD降阶模型的数据重构方法,由已知的翼型表面压力分布通过反设计就能够高效精确地得到对应的最优翼型形状,这极大地简化了翼型反设计问题。本文分别在跨声速范围对RAE 2822翼型的流场重构和Korn翼型及NACA 63212翼型的反设计进行了验证,证明了基于POD的流场重构和翼型反设计方法的有效性和高效性。     

部分预混燃烧室热声不稳定及火焰结构实验分析

为探明旋流部分预混燃烧室热声不稳定特性及其与火焰结构关系,进行了自激热声实验。采用重构相图解析压力脉动、采用瑞利指数表征其与热释放率脉动关系、采用本征正交分解获得火焰相干结构。结果表明:随当量比增加,压力脉动呈现低振幅脉动、间歇振荡、极限环振荡和低振幅脉动,脉动频率受腔体1阶纯声学模态（特征频率约80.8 Hz）控制。未发生振荡,瑞利指数维持在零值;热声不稳定时,瑞利指数在零值以上。本征正交分解表明,极限环振荡,前2阶模态（模态能量占比55%以上）火焰分布沿纵向发生变明和变暗交替变化,由连续涡脱落导致,且模态时间系数频率83.2 Hz与压力脉动频率83.3 Hz一致;低当量比,模态无明显空间分布规律;间歇振荡,主导模态为火焰轴对称热释放率变化;高当量比,火焰仅外边缘沿纵向发生大尺度脉动。