北航5系開(kāi)題報(bào)告—新式超聲速民機(jī)近場(chǎng)音爆數(shù)值模擬研究

1、,新式超聲速民機(jī)近場(chǎng)音爆數(shù)值模擬研究,報(bào) 告 人： xxx學(xué) 號(hào)： xxx指導(dǎo)老師： xxxxx,報(bào)告提綱,一、論文選題依據(jù)二、論文研究方案三、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)和研究成果四、論文的工作計(jì)劃,一、論文選題依據(jù),1.背景需求超聲速民機(jī)（SCT）協(xié)和號(hào)于1976年1月的投入運(yùn)營(yíng)可稱(chēng)得上可稱(chēng)得上是當(dāng)時(shí)人類(lèi)最大的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步之一。但其有兩個(gè)大的弱點(diǎn)：①油耗高,航程短,載客量小,每年虧損4～5千萬(wàn)美元;②協(xié)和飛機(jī)一直無(wú)法

2、減小音爆,使其只能在海面或無(wú)人居住地區(qū)的上空才能以超音速的速度飛行,航線(xiàn)受限,無(wú)法進(jìn)行規(guī)?；\(yùn)營(yíng); 這些問(wèn)題使其不得不于2003年退出航線(xiàn)服務(wù)！,協(xié)和式客機(jī),但是由于對(duì)未來(lái)民用市場(chǎng)需求前景的看好，美國(guó)、英、法、日本、印度、俄羅斯等國(guó)都在致力第二代超聲速客機(jī)的研制。俄羅斯、日本和歐洲等在探討發(fā)展新一代超聲速客機(jī)的過(guò)程中，均在考慮先期研制中、小型超聲速?lài)姎夤珓?wù)機(jī)，并以此作為研制未來(lái)大型超聲速客機(jī)的中間步驟和突破口，美國(guó)在制訂其未來(lái)超聲速民機(jī)

3、發(fā)展規(guī)劃時(shí)也遵循了同樣的道路隨著我國(guó)大型客機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)和進(jìn)行，發(fā)展和研制新一代超音速客機(jī)具有重大的意義！,QSJ（基本外形）,SSBJ,QSST,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit.,美國(guó)國(guó)家航空航天局提出了對(duì)三代超聲速民機(jī)的技術(shù)要求，如下圖，可見(jiàn)超聲速民機(jī)要成為現(xiàn)實(shí)，必須保證其音爆達(dá)到可接受的程度，因此在超音速客機(jī)的設(shè)計(jì)中音爆已經(jīng)成為和衡量方案成敗的關(guān)鍵技術(shù)

4、指標(biāo)之一，也是超音速客機(jī)設(shè)計(jì)必須解決的難題。,2.選題意義由于超聲速飛機(jī)的音爆不僅與飛機(jī)的速度有關(guān)，也與飛機(jī)的大小、形狀有關(guān)（主要與飛機(jī)沿機(jī)體縱軸方向截面積分布以及與升力相關(guān)的等效截面積分布有關(guān)），為了設(shè)計(jì)低音爆超聲速民機(jī)，必須發(fā)展精確的音爆預(yù)測(cè)方法，建立對(duì)復(fù)雜波系環(huán)境下音爆準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的能力！,飛行器橫截面積分布曲線(xiàn),與升力相關(guān)的等效截面積分布,音爆信號(hào)從飛行器傳播至地面的距離超過(guò)10000m，計(jì)算域過(guò)大，難以在統(tǒng)一的計(jì)算模型下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)

5、地面音爆。目前常用的方法是采用基于CFD的近場(chǎng)音爆計(jì)算和基于線(xiàn)性/非線(xiàn)性傳播的遠(yuǎn)場(chǎng)音爆計(jì)算相結(jié)合的混合模型預(yù)測(cè)方法，過(guò)程如下所示：,求解,近場(chǎng)區(qū)域求解,求解,求解,,,近場(chǎng)過(guò)壓作為初始信號(hào),遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算,地面音爆信號(hào),音爆預(yù)測(cè)混合模型示意圖,,近場(chǎng)音爆計(jì)算是音爆預(yù)測(cè)混合模型的基礎(chǔ)和核心環(huán)節(jié),,3.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國(guó)外：,遠(yuǎn)場(chǎng)音爆預(yù)測(cè)計(jì)算軟件,PCBoom3,CABoom,BooMap,CORBoom,PCBoom4,近場(chǎng)音爆計(jì)算方法,Car

6、t3D-Adjoint,FUN3D-Adjoint,Airplane-ANET,Cart3D-ANET,USM3D-SSGRID,國(guó)內(nèi)：從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，音爆預(yù)測(cè)方面的研究較少，目前僅見(jiàn)到：①西北工大馮曉強(qiáng)等利用簡(jiǎn)化音爆預(yù)測(cè)（SSBP）方法對(duì)超聲速客機(jī)的音爆問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，開(kāi)發(fā)了基于Matlab GUI的音爆特征分析計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了音爆特征的定量計(jì)算分析。,基于Matlab GUI的音爆特征分析計(jì)算軟件界面,②北航朱自強(qiáng)教授對(duì)

7、幾種超聲速民機(jī)低音爆設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了綜述，并對(duì)基于Cart3D軟件和伴隨方法的低音爆設(shè)計(jì)方法結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析驗(yàn)證；③中國(guó)航空科研院徐悅、宋萬(wàn)強(qiáng)等對(duì)SEEB-ALR非升力旋成體構(gòu)型和前緣后掠角 的三角翼升力體構(gòu)型的近場(chǎng)音爆進(jìn)行了粘性影響的研究。,SEEB-SLR模型的幾何構(gòu)型,三角翼升力體的幾何構(gòu)型,,,評(píng)估一新式超聲速民機(jī)布局音爆水平,提出可降低音爆的改進(jìn)措施,01,02,二、論文研究方案,研究目標(biāo),新式超聲速民機(jī)模型,

8、,,,,針對(duì)某一新式超聲速民機(jī)布局，選擇典型計(jì)算狀態(tài)（固定迎角、側(cè)滑角等）下，通過(guò)計(jì)算觀察網(wǎng)格密度、計(jì)算域大小等對(duì)計(jì)算音爆結(jié)果的影響。從而作為進(jìn)一步計(jì)算的依據(jù)。,針對(duì)該超聲速民機(jī)布局，研究發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)噴流情況下，不同迎角、側(cè)滑角工況下的超聲速流場(chǎng)，提取外邊界的近場(chǎng)音爆特性。,針對(duì)該超聲速民機(jī)布局，研究發(fā)動(dòng)機(jī)有噴流情況下，不同迎角、側(cè)滑角工況下的超聲速流場(chǎng)，提取外邊界的近場(chǎng)音爆特性。,基于上述研究結(jié)果，提出改進(jìn)該超聲速民機(jī)布局以降低其音爆水平

9、的可能措施。,01,02,03,04,研究?jī)?nèi)容,,,擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題,正確評(píng)估該超聲速民機(jī)布局近場(chǎng)音爆特性,,研究方法,采用CFD軟件對(duì)給定超聲速民機(jī)近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，在給定條件下計(jì)算近場(chǎng)區(qū)域過(guò)壓分布,,利用ICEM CFD軟件為給定的超聲速民機(jī)幾何模型創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格，解,,技術(shù)路線(xiàn)：氣動(dòng)計(jì)算程序采用基于無(wú)粘笛卡爾網(wǎng)格的Cart3D程序,利用Cart3D對(duì)進(jìn)行修整以后創(chuàng)建笛卡爾體網(wǎng)格,利用Cart3D的流動(dòng)解算器設(shè)置計(jì)算參數(shù)，進(jìn)

10、行流動(dòng)模擬，直至收斂解,使用ICEM CFD進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理解,,,可行性分析① 在NASA于2008年舉辦的低音爆計(jì)算專(zhuān)題研討會(huì)上，參與者分別用Cart3D-Adjoint、FUN3D-Adjoint、Airplane-ANET、Cart3D-ANET和USM3D-SSGRID等五種方法對(duì)五個(gè)外形做了壓強(qiáng)信號(hào)計(jì)算，會(huì)上對(duì)比了每個(gè)外形各種方法的計(jì)算結(jié)果，結(jié)論是結(jié)論是這5中方法均給出了合理結(jié)果（如下圖），表明它們可以作為分析設(shè)計(jì)的工

11、具；,無(wú)因次壓強(qiáng)信號(hào)（h/l=1.167）,②中國(guó)航空研究院的徐悅宋萬(wàn)強(qiáng)等人對(duì)SEEB-ALR非升力旋成體構(gòu)型和前緣后掠角的三角翼升力體構(gòu)型的近場(chǎng)音爆進(jìn)行了粘性影響的研究，發(fā)現(xiàn)Euler方程和RANS方程的計(jì)算結(jié)果相互之間的符合程度很高，考慮粘性并不能提高其近場(chǎng)音爆的計(jì)算精度，甚至在有些位置Euler方程對(duì)過(guò)壓信號(hào)的描述更為準(zhǔn)確；③北航朱自強(qiáng)教授取Gulfsfstream的低音爆模型在Langley UPWT風(fēng)洞中

12、 及 的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與Cart3D、FUN3D和Air-plane等無(wú)黏計(jì)算軟件對(duì)該模型按相應(yīng)條件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果彼此吻合很好，進(jìn)一步驗(yàn)證了此分析方法的正確性，可用于低音爆和低阻的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)。,過(guò)壓分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)

13、驗(yàn)結(jié)果的比較,計(jì)算得到給定超聲速民機(jī)在不同工況下近場(chǎng)區(qū)域的過(guò)壓分布,1,通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)給定超聲速民機(jī)布局的音爆水平做出正確評(píng)估,2,提出降低給定超聲速民機(jī)音爆水平的可行性措施,3,三、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)和研究成果,四、論文的工作計(jì)劃,2016年12月---01月2017年01月---02月2017年03月---05月2017年05月---06月,查閱文獻(xiàn)，確定研究方案，完成開(kāi)題報(bào)告；學(xué)習(xí)CFD畫(huà)網(wǎng)格軟件，學(xué)習(xí)CFD方法和相

14、關(guān)數(shù)值計(jì)算方法，利用ICEM CFD 軟件為給定的超聲速民機(jī)幾何模型創(chuàng)建創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格，并利用Cart3D對(duì)其進(jìn)行修整創(chuàng)建體網(wǎng)格； 利用Cart3D數(shù)值模擬不同工況下的超聲速民機(jī)幾何模型近場(chǎng)區(qū)域的音爆信號(hào)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)其音爆水平進(jìn)行評(píng)估，提出改進(jìn)措施；對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行整理，撰寫(xiě)畢設(shè)論文,五、開(kāi)題報(bào)告主要參考文獻(xiàn),[1]云歸. 破解音爆魔咒[J]. 大科技:科學(xué)之謎, 2015(4):34-36.[2]馬援. 超聲速民用飛機(jī)的復(fù)

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