[发明专利]一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法

说明书

本发明公开了一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法，包括：给定参数化初始近场波形，获取近场、远场过压信号并进行模态分解；提取各分解模态及其特征值分布，反求近场过压信号；基于CFD网格划分，根据反求的近场过压信号和给定的机身下方位置某一线段，完成由近场过压与目标过压分布构成的目标函数变分，构造并求解伴随方程；基于序列二次规划算法进行优化设计，对设计结果进行正向计算校核。本发明能够克服传统近场伴随优化的不足，同时回避远场信号设计远场‑近场‑机体变分的繁琐操作，又能够继续充分利用伴随优化的效率。

技术领域

本发明涉及超声速飞行器技术领域，尤其涉及一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法。

背景技术

随着气动设计技术、新能源技术的发展和未来市场需求，在各国民航对超声速声爆问题严格限制的条件下，民航业界普遍认为，发展小型超声速公务机的技术条件以及市场时机已经基本成熟。至少在未来的几年内，小型超声速公务机的研制、试飞将会被提上日程，实际上美国、俄罗斯、法国以及日本等国家的航空公司均已经推出一系列50座以下的超声速公务机设计方案，例如湾流Boom、Aerion、Spike等公司，并进一步制造出了缩比原型机进行拓展试验。

超声速公务机面临的最大挑战之一就是民航对其超声速飞行时声爆水平的严格限制，声爆信号水平的影响因素主要包含了质量、飞行高度、飞行速度等。在总体方案选型以及布局优化过程中，计算流体力学以及相应的优化设计手段起着至关重要的作用，大幅度降低了设计成本。先进的超声速公务机在气动性能上最明显的特点是高巡航效率、低声爆，其中声爆设计是超声速公务机面临的一个技术挑战。

在超声速飞机声爆伴随优化设计中，主要研究工作包含了梯度、非梯度优化，由于梯度优化高效性，大部分研究工作基于伴随方程的梯度优化进行，基于伴随方程的优化进而也分为两个方向：近场声压变分伴随与流场/声爆伴随方程。

在地面声爆信号设计中，尽管近场变分实现方式虽然比较简单，然而无法直接设计地面声爆信号的形态，不利于声爆信号上升时间、过压峰值等综合特征的有效抑制。远场信号设计中，远场-近场-机体变分是开展远场声爆伴随优化的关键，然而整个变分过程设计均匀/非均匀坐标变换、雅克比推导、声爆伴随方程推导、声源检索、变分装配等繁琐过程，无论是对于飞机设计工程师，还是设计技术研发人员来讲都极为不便。

发明内容

本发明意在提供一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法，能够回避传统技术中远场-近场-机体耦合变分问题，同时又能继续发挥梯度优化优势。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法，包括：

给定参数化初始近场波形，获取近场、远场过压信号并进行模态分解；

提取各分解模态及其特征值分布，反求近场过压信号；

基于CFD网格划分，根据反求的近场过压信号和给定的机身下方位置某一线段，完成由近场过压与目标过压分布构成的目标函数变分，构造并求解伴随方程；

基于序列二次规划算法进行优化设计，对设计结果进行正向计算校核。

优选地，所述获取近场、远场过压信号并进行模态分解，包括：

基于参数化初始近场波形，采用拉丁超立方抽样进行近场波形采样；

基于近场采样信号，获取其对应的远场信号；

将近场采样信号及其对应的远场信号排列为矢量形式；

对采集的矢量信号进行本征正交分解。

优选地，所述提取各分解模态及其特征值分布，反求近场过压信号包括：

提取各分解模态及其特征值分布；