1、北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 1 页本科生毕设开题报告院 （ 系 ） 名 称 航 空 科 学 与 工 程 学 院专 业 名 称 飞 行 器 设 计 与 工 程学 生 姓 名 GTZ学 号 1305XXXX指 导 教 师 XXX2016 年 1 月 1 日北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 2 页目录一、 选题依据 .31. 研究背景 .32. 国内外研究现状 .4二、 研究方案 .53. 研究目标 .54. 研究内容 .55. 拟解决的关键问题 .66. 研究方法 .67. 技术路线 .68. 可行性分析 .6三、
2、预期达到的目标和研究成果 .7四、 论文工作计划 .8五、 开题报告主要参考文献 .8北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 3 页新式超声速民机近场音爆数值模拟研究 1、选题依据1. 研究背景超声速民机（SCT ）协和号于 1976 年 1 月的投入运营可称得上可称得上是当时航空历史上技术创新和进步之一，协和号的气动布局设计理念对其后的飞机设计产生了深远影响。但其有两个大的弱点： 油耗高，航程短，载客量小,每年亏损 45 千万美元; 协和飞机一直无法减小音爆,使其只能在海面或无人居住地区的上空才能以超音速的速度飞行,航线受限,无法进行规模化运营 1。这些问题使
3、其不得不于 2003 年退出航线服务！可以说协和客机属于“技术成功，经济失败”。但是由于对未来民用市场需求前景的看好，美国、英、法、日本、印度、俄罗斯等国都在致力第二代超声速科技的研制 2。随着我国大型客机项目的启动和进行，未来必然也将发展和研制新一代超音速客机，因而提前做好技术储备具有重大的意义！为了克服超声速民机经济性差的缺陷，从气动角度需要进行低阻外形设计，降低波阻。而对于超声速音爆问题，也需要设计合理的低音爆外形，把音爆控制可接受的范围内。从某种意义上说，音爆问题造成是导致了协和客机的商业失败重要原因。目前，在新一代超音速客机的设计中音爆已经成为和衡量方案成败的关键技术指标之一，也是超
4、音速客机设计必须解决的难题。为了设计低音爆超声速民机，必须发展可靠的音爆预测方法，建立对复杂波系环境下音爆准确预测的能力！音爆信号从飞行器传播至地面的距离超过10000m，计算域过大，难以在统一的计算模型下准确预测地面音爆。目前常用的方法是采用基于 CFD 的近场音爆计算和基于线性/ 非线性传播的远场音爆计算相结合的混合模型预测方法 3。如图 1 所示，飞机周围的激波形成的区域为1 2 3 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 4 页近场，该区域受到非线性环境的强烈影响，如激波干扰干扰、横向流等，因此采用基于 Euler/N-S 方程的 CFD 方法对近场区域
5、进行求解，得到压力扰动，并将提取的近场过压 作为远场计dp（ 其 中 =Ps-,为 当 地 静 压 ， P为 参 考 压 力 ）算的初始条件。因此，近场音爆计算是音爆预测混合模型的基础和核心环节。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 5 页图 1 超声速飞机近场和远场音爆示意图2. 国内外研究现状目前国内外都对新一代超声速民机的音爆问题开展了研究。Plotkin 在 1989 年对当时已有的音爆理论做过一个经典性的评述，指出Landau 通过对弱激波的分析，正确给出了音爆的远场 N 波形态超声速飞行时，沿飞机轴向随机身横截面和升力的增大引起的扰动随之增强， 并
6、沿着更陡的角度传播，与上游来的扰动合并，逐步形成陡峭的压力升高（N 波的头激波），随后流动沿下游线性膨胀，与尾部膨胀波合并形成压缩激波，即 N 波的尾激波。他的工作为音爆的线性和非线性理论奠定了基础。Whithim 的经典论文给出了音爆现象的线性理论 4；20 世纪 60 年代的协和号、SST 和 Tu-144，以及 HSCT 等型号和项目的研制结合并开展了基于线性理论的降低音爆外形设计方法的研究。Jone 和 Carlson定义了一种当量物体外形可产生具有低过压的脉冲 N 波。Hayes 等证明了在真实大气高空处产生的声信号波形将被“冻结（不变）”地传播至地面 George 等提出了在等温大
7、气中的一种最小音爆信号（即最大过压的最小化，具有平顶式形状）；国外尤其是美国在这一领域已经进行了较为深入地研究，先后研制并开发了 PCBoom3，CABoom，BooMap， CORBoom 以及 PCBoom4 等用于预测和计算音爆水平的计算软件，有的程序已经达到工程实用阶段 5；2008 年，NASA 组织了近场音爆预测研讨会，采用 3 个非升力体模型（旋成体，代表超音速飞机头部构型）和 2 个升力体构型，对不同求解器的计算结果进行了评估，5 个外形分别为锥柱旋成体、抛物线头部圆柱旋成体、四次曲线头部圆柱旋成体、69 后掠机翼-机身组合体和 Ames 低音爆带短舱的全机（LBWT），五种计
8、算方法分别为 Cart3D-Adjoint、FUN3D-Adjoint、Airplane-ANET、Cart3D-ANET 和 USM3D-SSGRID；AIAA 仿照 DPW 和 Hiliftpw 于 2013 年举行了第一次 AIAA 低音爆专题研讨会，目的是评估低音爆计算现状和讨论进一步研究及发展的领域， 研讨会提4 5 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 6 页供波音的旋成体模型后掠机翼机身组合体和洛马的全机模型；2014 年，AIAA 首届音爆预测研讨会对近场音爆预测的技术状态进行了评估，相关研究人员在未提供试验数据的前提下采用研讨会标准网格对 3
9、 个标准音爆模型进行了大量的盲算对比，总体来看数值预测的结果和试验数据具有很好的一致性；Rallabhandi 等发展了一种混合精度的计算流体动力学（CFD）低音爆设计方法，采用时域方法完成全部传播的计算包含考虑分子松弛和热粘性吸收等影响，以解析方式确定激波厚度，可以计算有风状态轨迹下和轨迹外的地面信号，提高确定音爆足迹的能力，且避免传播计算中时频域间的转换，从而减少人为引入的误差！编制的代码被称为 sBoom；Elmiligui 等对 2Ma 来流条件下，几个高度上的音爆声压信号进行了计算，计算结果和风洞试验数据吻合的较好。 Wintzer 等开发了一个多层次的低音爆飞机设计框架。 Ishi
10、kawa 等发展了一种结构非结构网格方法对音爆进行预测，机体周围采用非结构网格，结构网格用于预测近场声压信号。；国内对超声速民机的研究起步较晚，音爆预测方面的研究极为少见，西北工大冯晓强等利用简化音爆预测（SSBP）方法对超声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计算分析；北航朱自强教授对几种超声速民机低音爆设计方法进行了综述，并对基于 Cart3D 软件和伴随方法的低音爆设计方法结合风洞实验进行了分析验证；中国航空科研院徐悦、宋万强等对 SEEB-ALR 非升力旋成体构型和前缘后掠角 的三角翼升力体构型的近场音爆进行69了粘性影响的研究。2、研究方案1. 研究目标 通过数值模拟
11、评估某新式超声速民机布局近场音爆水平； 对所评估的超声速民机布局提出可降低音爆的改进措施。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 7 页2. 研究内容 针对某一新式超声速民机布局，选择典型计算状态（固定迎角、侧滑角等）下，通过计算观察网格密度、计算域大小等对计算音爆结果的影响。从而作为进一步计算的依据。 针对超声速民机布局，研究发动机无喷流情况下，不同迎角、侧滑角工况下的超声速流场，提取外边界的近场音爆特性。 针对超声速民机布局，研究发动机有喷流情况下，不同迎角、侧滑角工况下的超声速流场，提取外边界的近场音爆特性。 基于上述研究结果，提出改进该超声速民机布局以降
12、低其音爆水平的可能措施。3. 拟解决的关键问题基于无粘 Euler 方程正确评估该超声速民机布局近场音爆特性。4. 研究方法基于无粘 Euler 方程方法，针对给定超声速民机布局，对于近场区域进行数值模拟，计算近场区域过压分布并对其进行分析，从而对该超声速民机布局的音爆水平进行评估。5. 技术路线采用基于笛卡尔坐标的 Euler 方程计算软件Cart3D 程序：将给定的超声速民机几何模型导入 ICEM CFD 软件创建非结构表面网格，然后利用 Cart3D对其进行修整以后创建笛卡尔体网格，利用 Cart3D 的流动解算器设置计算参数，进行流动模拟，直至收敛！最后使用 ICEM CFD 进行计算
13、结果后处理！6. 可行性分析在 NASA 于 2008 年举办的低音爆计算专题研讨会上，参与者分别用北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 8 页Cart3D-Adjoint、FUN3D-Adjoint 、Airplane-ANET、Cart3D-ANET 和 USM3D-SSGRID 等五种方法对五个外形做了压强信号计算，会上对比了每个外形各种方法的计算结果，结论是结论是这 5 中方法均给出了合理结果（如下图 2 所示），表明它们可以作为分析设计的工具；图 2 无因次压强信号（h/l=1.167）中国航空研究院的徐悦宋万强等人对 SEEB-ALR 非升力旋成体
14、构型和前缘后掠角 的三角翼升力体构型的近场音爆进行了粘性影响的研究，发现 Euler69方程和 RANS 方程的计算结果相互之间的符合程度很高，考虑粘性并不能提高其近场音爆的计算精度，甚至在有些位置 Euler 方程对过压信号的描述更为准确；北航朱自强教授取 Gulfsfstream 的低音爆模型在 Langley UPWT 风洞中的两次实验1.20.2561.3248.0.297hhl l、 、 及 、 、结果，与 Cart3D、FUN3D 和 Air-plane 等无黏计算软件对该模型按相应条件计算的结果进行对比。计算结果和实验结果彼此吻合很好，进一步验证了此分析方法的正确性，可用于低音爆
15、和低阻的外形优化设计。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 9 页图 3 过压分布计算结果与实验结果的比较3、预期达到的目标和研究成果计算得到给定超声速民机在不同工况下近场区域的过压分布；通过数据分析对给定超声速民机布局的音爆水平做出正确评估；提出降低给定超声速民机音爆水平的可行性措施。4、论文工作计划2016 年 12 月-2016 年 01 月 查阅文献、确定研究方案、完成开题报告；2017 年 01 月-2017 年 02 月 学习 CFD 画网格软件，学习 CFD 方法和相关数值计算方法，利用 ICEM CFD 件为给定的超声速民机几何模型创建创建非结
16、构表面网格，并利用 Cart3D 对其进行修整创建体网格；2017 年 03 月-2017 年 05 月 利用 Cart3D 数值计算不同工况下的超声速民机几何模型 近场区域的音爆信号，并根据结果对其音爆水平进行评估，提出改进措施；2017 年 05 月-2017 年 06 月 对研究结果进行整理，撰写毕设文。 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (开 题 报 告 )第 10 页5、开题报告主要参考文献1云归. 破解音爆魔咒 J. 大科技:科学之谜, 2015(4):34-36.2马援. 超声速民用飞机的复苏J. 国际航空, 2007(12):56-57.3徐悦, 宋万强. 典型低
17、音爆构型的近场音爆计算研究J. 航空科学技术, 2016, 27(7):12-16.4朱自强, 兰世隆. 超声速民机和降低音爆研究J. 航空学报, 2015, 36(8):2507-2528.5冯晓强, 李占科 , 宋笔锋. 超音速客机音爆问题初步研究 J. 飞行力学, 2010, 28(6):21-23.6Park M A, Aftosmis M J, Campbell R L, et al. Summary of the 2008 NASA Fundamental Aeronautics Program Sonic Boom Prediction WorkshopJ. Journal of Aircraft, 2013, 51(63):234-45.7AIAA. Summary and Statistical Analysis of the First AIAA Sonic Boom Prediction Workshop - 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference (AIAA)J. 2014.8Aftosmis M, Nemec M, Cliff S. Adjoint-based low-boom design with Cart3D (Invited)C/ 2013.
