Far-field sonic boom prediction considering atmospheric turbulence effects: An improved approach

Accurate prediction of sonic boom is one of key challenges for the design of a low-boom supersonic aircraft. For most of available far-field prediction methods, the effect of atmospheric turbulence appearing in the planetary boundary layer cannot be considered, which results in remarkable inaccuracy of predicting ground-level sonic boom waveform. Although some efforts have been made to overcome the shortcoming, the turbulence effects are not yet well described so far. This article proposes an improved method by extending the two-dimensional Heterogeneous One-Way Approximation for the Resolution of Diffraction (HOWARD) equation to account for the axial and transverse convections of wind fluctuation as well as the effect of temperature fluctuation. The proposed method is validated by comparing the predictions with the flight-test data of JAXA D-SEND#1 LBM, which shows that the result of the proposed method is in better agreement with the flight-test data than that of the method without considering atmospheric turbulence effects. Then, distortion mechanism of sonic boom waveforms caused by atmospheric turbulence is analyzed by using the proposed method. It is indicated that the effect of turbulent convection makes uniform sonic-boom wavefronts irregular, which creates the condition of diffraction effect to perturb waveforms. Finally, the proposed method is applied to investigate the behavior of two types of waveforms given by the sonic boom minimization theory. Results show that a far-field waveform with a weaker initial shock is more beneficial for low-boom design of a supersonic aircraft.     

考虑配平特性的超声速客机低声爆气动布局优化研究

降低声爆水平是下一代超声速运输机研制需要解决的关键问题之一。低声爆优化通常使飞行器布局向着机翼后掠角增大、机翼沿机身方向分布范围增大的趋势发展,给飞行器的配平和低速特性带来不利影响。以某超声速客机基本构型为研究对象,建立基于类别/形状函数的翼身组合体参数化建模方法;基于超声速线化理论分析外形几何参数对声爆水平的影响。在此基础上,分别针对机身轮廓、机翼平面形状以及扭转角分布对该构型进行低声爆优化和俯仰力矩特性优化,并采用CFD 方法对优化结果进行校核。结果表明：与基准构型相比,在不显著增加俯仰力矩的基础上,优化构型的阻力降低了19 cts,近场过压显著降低,地面声爆响度降低5.1 PLdB。     

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。     

超音速客机音爆问题初步研究

在超音速客机设计中,音爆已成为决定和衡量方案成败的关键技术指标之一,也是超音速客机设计必须解决的关键技术问题。利用简化音爆预测(SSBP)方法对超音速客机的音爆问题进行了初步研究,实现了音爆特征的定量化计算分析,开发了基于Matlab GUI的音爆特征分析计算软件,通过算例验证了所采用方法的正确性。最后,利用所开发的音爆分析计算软件对一种新概念超音速静音客机的音爆水平进行了预测。     

Research of low boom and low drag supersonic aircraft design

Sonic boom reduction will be an issue of utmost importance in future supersonic transport, due to strong regulations on acoustic nuisance. The paper describes a new multi-objective optimization method for supersonic aircraft design. The method is developed by coupling Seebass–George–Darden(SGD) inverse design method and multi-objective genetic algorithm.Based on the method, different codes are developed. Using a computational architecture, a conceptual supersonic aircraft design environment(CSADE) is constructed. The architecture of CSADE includes inner optimization level and out optimization level. The low boom configuration is generated in inner optimization level by matching the target equivalent area distribution and actual equivalent area distribution. And low boom/low drag configuration is generated in outer optimization level by using NSGA-II multi-objective genetic algorithm to optimize the control parameters of SGD method and aircraft shape. Two objective functions, low sonic boom and low wave drag, are considered in CSADE. Physically reasonable Pareto solutions are obtained from the present optimization. Some supersonic aircraft configurations are selected from Pareto front and the optimization results indicate that the swept forward wing configuration has benefits in both sonic boom reduction and wave drag reduction. The results are validated by using computational fluid dynamics(CFD) analysis.     

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。     

某典型二元高超声速进气道内二次流分析

对某典型二元高超声速进气道三维流场进行了数值分析，将固壁面压力分布的计算结果与试验结果进行了比较，二者吻合较好，表明数值模拟方法正确，结果可信。分析了高超声速进气道流场的波系结构以及进气道(含隔离段)内二次流特征。给出了外压缩波系下的角涡的形成和发展规律，在侧壁与压缩面相交角区形成为逆时针方向角涡，角涡的形成、发展与近壁激波／侧壁附面层干扰以及压缩面有关。分析了隔离段中的激波的反射状况，提出了隔离段二次流的形成和发展规律以及影响因素。在隔离段进口附近存在一分离区。隔离段内二次涡的形成、发展和消失由上下壁面的压差，激波的移动方向(波后气流的横向流动)等决定。研究还表明对于高超声速进气道即使是二元进气道，也要关注二次涡的存在和发展。     

基于扇翼机翼升推力机理的吹气机翼研究

基于对扇翼飞行器升推力产生机理的数值计算与分析,提出了一种扇翼飞行器机翼的替代方案——吹气机翼。分析了扇翼机翼升推力的产生机理并在扇翼机翼翼型的基础上构建了吹气机翼翼型。建立了两种机翼翼型的数值计算方法,通过对比相对静压分布曲线、速度云图和压力云图,证明了吹气机翼具有与扇翼机翼一样的升推力产生方式,即涡致升推力的形成机制。通过将横流风扇加速后气流流速定义为吹气机翼吹气速度,对比了两种机翼升推力随来流速度和迎角的变化关系。结果表明:两种机翼的升推力变化趋势基本一致,仅在迎角大于20°时,吹气机翼推力值相较扇翼机翼损失了近5倍。总体而言,在常规飞行状态下,吹气机翼能够替代扇翼机翼,为相关飞行器的增升和优化设计提供了一种思路。      

Analysis on capabilities of density-based solvers within OpenFOAM to distinguish aerothermal variables in difusion boundary layer

Open source feld operation and manipulation（OpenFOAM）is one of the most prevalent open source computational fluid dynamics（CFD）software.It is very convenient for researchers to develop their own codes based on the class library toolbox within OpenFOAM.In recent years,several density-based solvers within OpenFOAM for supersonic/hypersonic compressible flow are coming up.Although the capabilities of these solvers to capture shock wave have already been verifed by some researchers,these solvers still need to be validated comprehensively as commercial CFD software.In boundary layer where diffusion is the dominant transportation manner,the convective discrete schemes＇capability to capture aerothermal variables,such as temperature and heat flux,is different from each other due to their own numerical dissipative characteristics and from viewpoint of this capability,these compressible solvers within OpenFOAM can be validated further.In this paper,frstly,the organizational architecture of density-based solvers within OpenFOAM is analyzed.Then,from the viewpoint of the capability to capture aerothermal variables,the numerical results of several typical geometrical felds predicted by these solvers are compared with both the outcome obtained from the commercial software Fastran and the experimental data.During the computing process,the Roe,AUSM＋（Advection Upstream Splitting Method）,and HLLC（Harten-Lax-van Leer-Contact）convective discrete schemes of which the spatial accuracy is 1st and 2nd order are utilized,respectively.The compared results show that the aerothermal variables are in agreement with results generated by Fastran and the experimental data even if the1st order spatial precision is implemented.Overall,the accuracy of these density-based solvers can meet the requirement of engineering and scientifc problems to capture aerothermal variables in diffusion boundary layer.     

双垂尾对边条翼布局大迎角升力影响机理研究

对边条翼双垂尾布局的垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究。采用CFD方法分析一个类似于F-22战斗机的模型,发现在低速大迎角条件下,脱体涡流经垂尾外侧;垂尾下部附近气流方向向后并向外;垂尾外侧存在低压区,而垂尾内侧和垂尾间的机身上表面存在高压区。认为脱体涡在垂尾外侧表面产生吸力,在涡核下方诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于侧滑气流中,从而使其表面压力内高外低,除了产生指向外侧的法向力外,也传递内侧高压至机身上表面。外倾垂尾上向外的法向力和机身上表面的高压区,是减小大迎角升力的直接原因。     

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位.本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响.实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼.前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性.距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点.近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数.另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性.     

升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响

为了分析升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响,建立了基于雷诺平均Navier-Stokes方程的计算流体力学方法进行共轴旋翼流场求解,采用嵌套网格方法模拟桨叶运动,采用双时间方法进行时间推进。针对不同升力偏置状态,采用基于差量法的共轴旋翼高效配平策略进行操纵量配平。通过对Harrington-1旋翼性能的计算,验证了方法的有效性。对比计算了共轴刚性旋翼在不同前进比和升力偏置量下的气动性能和流场特征,结果表明：双旋翼操纵量在小前进比状态有明显差别,在大前进比状态基本一致;在相同拉力状态,随着升力偏置量的增大,共轴旋翼升阻比先升高后降低,其阻力却不断增大,不同前进比状态的最大升阻比对应的升力偏置量不同;双旋翼相遇时桨叶拉力出现脉冲式波动,由于流场被前行桨叶所主导,因此后行桨叶拉力波动幅值更大,且波动幅值随升力偏置量的增加而增大。     

三维强迫混合波瓣结构流场的数值研究

为了波瓣混合结构的主要几何参数对性能的影响规律，采用贴体曲线坐标系和κ-ε两方程紊流模型进行了三维流场的数值研究。通过对波瓣混合结构的流场分析，得到了波瓣尾缘速度环量和总压恢复系数随波瓣瓣高和瓣长的变化关系。在波瓣的结构参数中，瓣高的影响更为显著。     

Design and analysis of a novel hinged boom based on cable drive

Hinged booms are widely used in astrophysics missions; however, the trajectory and deployment velocity are difficult to control because they are usually driven by springs, which limits their application in narrow spaces. Thus, a novel hinged boom is highly required to achieve motion controllability. Through an equivalent substitution between the cable drive loop and the binary link in topology, a type synthesis method for the cable-driven single-degree-of-freedom chain is proposed based on the s...     

支板布局对三维侧压式进气道特性的影响

对采用前掠、后掠及混合掠支板布局的三维侧压式超燃发动机进气道（工作马赫数4～6）开展了数值计算，详细比较了不同支板布局的流场波系、边界层发展以及总体性能特征，主要结论有：（1）后掠支板进气道的起动马赫数范围较宽，但附加溢流大，需前移唇口保证流量系数，结果上顶板反射激波加强，总压损失和流场畸变较大；（2）前掠支板进气道能保证较高的流量系数及总压恢复系数，但低马赫数起动困难；（3）混掠支板进气道综合了前掠与后掠布局的优点，能够保证较宽马赫数范围内的工作和较优的进气道性能，但需优化。     

垂直/短矩起降飞机机翼内埋式风扇布局气动特性分析

以垂直/短距起降飞机过渡飞行状态为背景,针对机翼内埋式风扇布局的自由来流/风扇喷流混合型流动,基于结构/非结构混合网格使用CFD方法进行了非定常数值模拟和分析.首先使用滑移网格技术对NASA涵道螺旋桨进行算例验证,其时均计算结果与实验值的误差为5.3%,证明了计算方法的可靠性和准确性,然后数值模拟了机翼内埋式风扇布局在不同迎角下的气动性能.结果表明:风扇喷流在机翼上产生了特有的“抽吸”和“堵塞”效应,引起了机翼总升阻力的显著增加,升力最大增量达到干净机翼升力的2.6倍,阻力最大增量为干净机翼阻力的3.2倍,混合流场在机翼后缘引起了升力损失并卷起对涡.      

环量控制尾梁参数对直升机尾梁侧向推力的影响

用动量源法模拟了旋翼的下洗流,对壁面射流控制圆柱绕流的环量控制参数进行了研究,利用Fluent软件分析了缝隙位置、大小和数目等参数对尾梁气动特性的影响,获得了圆柱体尾梁上气动力随环量控制参数变化的关系.其中,动量系数(喷气强度)和缝隙几何参数对圆柱尾梁上气动力的影响是本文重点.研究结果表明,缝隙位置对圆柱体尾梁的气动性能影响明显;旋翼下洗流中单缝最佳缝隙位置与风洞中相差很大;采用多缝喷气可提高圆柱体尾梁的最大升力系数.     

动力失效对起飞纵向气动特性影响数值研究

研究民用飞机动力失效对飞机起飞阶段纵向气动特性的影响规律及其机理,对保证飞机有效操纵和安全飞行具有重要意义.采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S方程的数值方法,研究发动机动力失效对某民用飞机起飞构型纵向气动特性的影响.通过DLR-F11模型验证研究方法对民用飞机高升力构型气动特性的预测能力;针对安装动力短舱的某翼吊涡扇发动机民用飞机起飞构型,通过对比其发动机在正常工况和失效时飞机气动特性的差异,得出动力失效对飞机纵向气动特性的影响规律及机理.结果表明:动力失效后,不但溢流效应会使飞机阻力系数增大;还会导致发动机进、排气特性较正常工作状态明显不同,恶化短舱附近流场,对飞机的升力、失速特性带来不利影响.     

大型商用运输机机翼增升构型水滴撞击特性计算

基于欧拉-拉格朗日数值模拟框架,发展了一套适合求解三维多体模型水滴撞击特性的计算方法.采用粒子统计与面积比率计算相结合的方式,实现了水滴收集率的高效精确预测.在常规粒径条件下,该方法计算结果与国外标模试验数据吻合良好.应用上述算法,开展了某大型商用运输机增升构型的水滴撞击特性数值模拟研究,计算结果显示:水滴在缝翼背面缝...