[发明专利]一种超音速飞行器音爆预测方法

说明书

本发明涉及一种超音速飞行器音爆预测方法，采用CFD数值模拟与远场外插相结合的方法实现超音速飞行器的音爆预测，包括绘制满足要求的结构或非结构网格，确定CFD求解器以及求解方法；进行超音速飞行器的CFD求解；提取飞行器近场静态压力特征；通过任意数量的线性线段来近似表示初始波形的形状；周期性求解描述波形参数变化的一阶耦合微分方程组，得到下一时刻波形的信息；重复执行直至得到指定高度处的过压值的步骤。本方法系统地模拟了飞行器外形、激波、膨胀波等因素的影响，计算精度大大高于传统线性方法，同时更加逼真地模拟了压力波在大气中的传播情况。

技术领域

本发明涉及到计算流体力学领域，具体而言，涉及一种超音速飞行器音爆预测方法。

背景技术

随着空气动力学、电子系统以及材料和制造工艺等各个学科技术的进步和不断积累，研制超音速飞机的条件和时机已逐渐成熟。可以预见，在未来民用航空市场上超音速大型客机必将逐渐成为主角，这是人类航空朝着更快、更经济环保、更安全舒适的一个必然方向之一。

音爆是一种非线性气动声学现象。当飞机做超音速飞行时，其机鼻、机翼、尾翼等均会产生激波；另一方面，由于机身外形变化，激波之间会存在膨胀波系。这两种波系相互作用在增加了飞机近场流场复杂性的同时，产生的压力扰动随飞机一起运动即成为音爆的声源。由于该声源发出的声波具有巨大幅值，在大气层里经过一定距离衰减之后仍会对飞行通过的区域带来严重的噪声污染，引起人焦躁不安的情绪，甚至造成建筑物的损坏。美国联邦航空局(FAA)制定的《联邦航空条例》(FAR)91部817条款，不允许商用飞机或私人飞机在美国的陆地上空进行超音速飞行，其他国家和地区的民航管理机构也制定了类似的法规，目的是避免音爆对居民的影响。

大多数音爆预测和优化方法都基于Whitham的修正线化理论，此理论基于弱激波理论，是对线性理论的修正并且考虑光滑旋成体的扰动合并成激波。为了满足弱激波理论要求，假设流体是定常、无粘、可压缩、轴对称、无旋和等熵的。一些试验和分析对马赫数接近3.0时线性理论的有效性提出了质疑。在高马赫数区域，强激波导致明显的高阶熵增现象，线性方法完全忽略了这些效应，并且升力体附近区域存在明显的横流效应。

理想的计算方法是整个传播过程都采用CFD方法。但是这么做有两个阻碍：一是所需网格量太大，需要从巡航高度(一般60000英尺)到地面生成足够密的网格，计算效率无法保证。随着计算机的计算能力逐年提高，但仍难满足需要；二是CFD本身的功能问题。一般而言，CFD不是用来进行远场分析的工具，其主要目的是计算飞行器近场的空气动力学特性。远距离计算时，由于精度和分辨率的损失，会造成典型流场参数和激波较大的计算误差。

从目前资料来看，音爆特征研究已成为新一代超音速飞机发展的关键技术，国外在这一领域已做过较为深入地研究，而目前国内对超音速飞机音爆特征的研究还处于初步探索阶段，且音爆的风洞试验技术未曾开展过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种CFD数值模拟与远场外插相结合的超音速飞行器音爆预测方法。这种方法可以用计算机高级程序语言实现，并通过计算机相应程序软件运行程序来预测超声速飞行器音爆特性。采用CFD耦合远场外插方法，先利用CFD数值模拟超音速飞行器近场附近流场特征，并利用CFD近场压力特征作为远场外插的初值，通过求解描述波形参数变化的一阶耦合微分方程组得到压力波信息，最终得到指定高度处音爆特征。本发明中的预测方法在保证预测结果准确度的同时，又兼顾计算效率，最大程度上满足了超音速飞行器音爆预测的要求。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种超音速飞行器音爆预测方法，采用CFD数值模拟与远场外插相结合的方法实现超音速飞行器的音爆预测，具体包括以下步骤：

1)CFD数值模拟前期准备工作：根据超音速飞行器的构型、来流条件、关注区域信息，绘制满足要求的结构或非结构网格，确定CFD求解器以及求解方法；