基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法
发布时间：2021-07-03 06:17
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。
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(04)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１波音公司拟研发的下一代超声速客机［４］Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｐｏｒｔ［４］
?。对（１０）式进行离散，可得：Ｒ（ｉ＋１）＝Ｒ（ｉ）＋ΔＲ（ｉ）Ｎ（ｉ＋１）＝Ｎ（ｉ）＋ΔＮ（ｉ）｛（１１）其中，ΔＲ（ｉ）＝（ｃ０Ｎ＋Ｗ）｜ｉΔｔΔＮ（ｉ）＝［（Ｉ－Ｎ?ＮＴ）!（ｃ０＋Ｗ·Ｎ）］｜ｉΔｔ烅烄烆（１２）式中：Δｔ为声爆在空间传播过程中第ｉ步到第ｉ＋１步的时间间隔。在计算声线管面积时，通常的做法是计算由四条声线围成的“管”［４１］，如图２所示。图中Δφ为声线在飞机周向上的角度增量。则声线管面积的计算式为：Ａ＝１２｛（Ｒ４－Ｒ１）×（Ｒ３－Ｒ２）｝·Ｎ１（１３）１．３数值求解方法用数值方法求解方程（１）时，直接对分子弛豫过程进行离散比较困难，通常的求解策略是采用“算子分裂法”［２２］。在很小的空间推进步Δσ内，分别单独计算式（１）中各个效应对声学压强的影响，即依次单独求解式（１４）－（１８），并将前一方程的解作为后一方程的输入，从而达到各个效应解耦的目的。已经证明，当Δσ足够小时，采用算子分裂法的计算结果收敛于式（１）的解［４２－４３］。图２声线管面积求解示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｒａｙｔｕｂｅａｒｅａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?Ｐ?σ＝∑ｊＣｊ（１＋θｊ??τ）?２Ｐ?τ２（１４）?Ｐ?σ＝１Γ?２Ｐ?τ２（１５）?Ｐ?σ＝－１２Ａ?Ａ?σ
图３所开发的ｂＢｏｏｍ程序求解广义Ｂｕｒｇｅｒｓ方程的框架Ｆｉｇ．３Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆ“ｂＢｏｏｍ”ｃｏｄｅｓｏｌｖｉｎｇａｕｇｍｅｎｔｅｄＢｕｒｇｅｒｓｅｑｕａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｎｏｐｅｒａｔｏｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ分裂法将式（１）右边各项效应依次进行单独求解，每一效应求解过程中均采用有限差分方法；最后，沿传播路径重复上一过程，直至传播到地面，即获得地面声爆波形。图４为所开发的“ｂＢｏｏｍ”程序中，坐标系定义及声爆传播周向角?的定义。坐标原点Ｏ定义为声爆由机体开始向外传播时的飞机位置，ｘ轴为沿飞机轴线指向飞行方向，ｙ轴为垂直于飞机轴线指向飞行员的右侧，ｚ轴根据右手坐标系定义，其垂直于ｘＯｙ平面向下。声爆传播周向角定义为由ｚ轴向ｙ偏转时为正，?＝０°时代表声爆向飞机正下方传播（Ｕｎｄｅｒ－ｔｒａｃｋ）。另外，定义ｘ轴正向与正北向的夹角β为飞机飞行方位角。针对有“大气风”的大气剖面，该角度对地面声爆计算具有重要作用。图４“ｂＢｏｏｍ”程序所采用的坐标系统及传播周向角定义Ｆｉｇ．４Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｒｏｌｌａｎｇｌｅｏｆｓｏｎｉｃ－ｂｏｏｍｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｄｅ“ｂＢｏｏｍ”２算例验证与讨论２．１标模算例验证以ＡＩＡＡ第二届声爆预测研讨会（ＳＢＰＷ－２）［４４－４６］提供的轴对称标模、低声爆概念机Ｃ２５Ｄ构型和ＬＭ１０２１构型为例，验证所
【参考文献】：
期刊论文
[1]网格对声爆近场预测影响的数值研究[J]. 马博平,王刚,雷知锦,叶正寅. 西北工业大学学报. 2018(05)
[2]基于增广Burgers方程的音爆远场计算及应用[J]. 张绎典,黄江涛,高正红. 航空学报. 2018(07)
[3]典型标模音爆的数值预测与分析[J]. 王刚,马博平,雷知锦,任炯,叶正寅. 航空学报. 2018(01)
[4]典型低音爆构型的近场音爆计算研究[J]. 徐悦,宋万强. 航空科学技术. 2016(07)
[5]低声爆静音锥设计方法研究[J]. 冯晓强,宋笔锋,李占科. 航空学报. 2013(05)
[6]超音速客机音爆问题初步研究[J]. 冯晓强,李占科,宋笔锋. 飞行力学. 2010(06)
本文编号：3262042
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(04)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１波音公司拟研发的下一代超声速客机［４］Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｐｏｒｔ［４］
?。对（１０）式进行离散，可得：Ｒ（ｉ＋１）＝Ｒ（ｉ）＋ΔＲ（ｉ）Ｎ（ｉ＋１）＝Ｎ（ｉ）＋ΔＮ（ｉ）｛（１１）其中，ΔＲ（ｉ）＝（ｃ０Ｎ＋Ｗ）｜ｉΔｔΔＮ（ｉ）＝［（Ｉ－Ｎ?ＮＴ）!（ｃ０＋Ｗ·Ｎ）］｜ｉΔｔ烅烄烆（１２）式中：Δｔ为声爆在空间传播过程中第ｉ步到第ｉ＋１步的时间间隔。在计算声线管面积时，通常的做法是计算由四条声线围成的“管”［４１］，如图２所示。图中Δφ为声线在飞机周向上的角度增量。则声线管面积的计算式为：Ａ＝１２｛（Ｒ４－Ｒ１）×（Ｒ３－Ｒ２）｝·Ｎ１（１３）１．３数值求解方法用数值方法求解方程（１）时，直接对分子弛豫过程进行离散比较困难，通常的求解策略是采用“算子分裂法”［２２］。在很小的空间推进步Δσ内，分别单独计算式（１）中各个效应对声学压强的影响，即依次单独求解式（１４）－（１８），并将前一方程的解作为后一方程的输入，从而达到各个效应解耦的目的。已经证明，当Δσ足够小时，采用算子分裂法的计算结果收敛于式（１）的解［４２－４３］。图２声线管面积求解示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｒａｙｔｕｂｅａｒｅａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?Ｐ?σ＝∑ｊＣｊ（１＋θｊ??τ）?２Ｐ?τ２（１４）?Ｐ?σ＝１Γ?２Ｐ?τ２（１５）?Ｐ?σ＝－１２Ａ?Ａ?σ
图３所开发的ｂＢｏｏｍ程序求解广义Ｂｕｒｇｅｒｓ方程的框架Ｆｉｇ．３Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆ“ｂＢｏｏｍ”ｃｏｄｅｓｏｌｖｉｎｇａｕｇｍｅｎｔｅｄＢｕｒｇｅｒｓｅｑｕａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｎｏｐｅｒａｔｏｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ分裂法将式（１）右边各项效应依次进行单独求解，每一效应求解过程中均采用有限差分方法；最后，沿传播路径重复上一过程，直至传播到地面，即获得地面声爆波形。图４为所开发的“ｂＢｏｏｍ”程序中，坐标系定义及声爆传播周向角?的定义。坐标原点Ｏ定义为声爆由机体开始向外传播时的飞机位置，ｘ轴为沿飞机轴线指向飞行方向，ｙ轴为垂直于飞机轴线指向飞行员的右侧，ｚ轴根据右手坐标系定义，其垂直于ｘＯｙ平面向下。声爆传播周向角定义为由ｚ轴向ｙ偏转时为正，?＝０°时代表声爆向飞机正下方传播（Ｕｎｄｅｒ－ｔｒａｃｋ）。另外，定义ｘ轴正向与正北向的夹角β为飞机飞行方位角。针对有“大气风”的大气剖面，该角度对地面声爆计算具有重要作用。图４“ｂＢｏｏｍ”程序所采用的坐标系统及传播周向角定义Ｆｉｇ．４Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｒｏｌｌａｎｇｌｅｏｆｓｏｎｉｃ－ｂｏｏｍｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｄｅ“ｂＢｏｏｍ”２算例验证与讨论２．１标模算例验证以ＡＩＡＡ第二届声爆预测研讨会（ＳＢＰＷ－２）［４４－４６］提供的轴对称标模、低声爆概念机Ｃ２５Ｄ构型和ＬＭ１０２１构型为例，验证所
【参考文献】：
期刊论文
[1]网格对声爆近场预测影响的数值研究[J]. 马博平,王刚,雷知锦,叶正寅. 西北工业大学学报. 2018(05)
[2]基于增广Burgers方程的音爆远场计算及应用[J]. 张绎典,黄江涛,高正红. 航空学报. 2018(07)
[3]典型标模音爆的数值预测与分析[J]. 王刚,马博平,雷知锦,任炯,叶正寅. 航空学报. 2018(01)
[4]典型低音爆构型的近场音爆计算研究[J]. 徐悦,宋万强. 航空科学技术. 2016(07)
[5]低声爆静音锥设计方法研究[J]. 冯晓强,宋笔锋,李占科. 航空学报. 2013(05)
[6]超音速客机音爆问题初步研究[J]. 冯晓强,李占科,宋笔锋. 飞行力学. 2010(06)
本文编号：3262042
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3262042.html
