北航5系開題報告—新式超聲速民機(jī)近場音爆數(shù)值模擬研究

1、,新式超聲速民機(jī)近場音爆數(shù)值模擬研究,報 告 人： xxx學(xué) 號： xxx指導(dǎo)老師： xxxxx,報告提綱,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)和號于1976年1月的投入運(yùn)營可稱得上可稱得上是當(dāng)時人類最大的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步之一。但其有兩個大的弱點：①油耗高,航程短,載客量小,每年虧損4～5千萬美元;②協(xié)和飛機(jī)一直無法

2、減小音爆,使其只能在海面或無人居住地區(qū)的上空才能以超音速的速度飛行,航線受限,無法進(jìn)行規(guī)模化運(yùn)營; 這些問題使其不得不于2003年退出航線服務(wù)！,協(xié)和式客機(jī),但是由于對未來民用市場需求前景的看好，美國、英、法、日本、印度、俄羅斯等國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)的過程中，均在考慮先期研制中、小型超聲速噴氣公務(wù)機(jī)，并以此作為研制未來大型超聲速客機(jī)的中間步驟和突破口，美國在制訂其未來超聲速民機(jī)

3、發(fā)展規(guī)劃時也遵循了同樣的道路隨著我國大型客機(jī)項目的啟動和進(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.,美國國家航空航天局提出了對三代超聲速民機(jī)的技術(shù)要求，如下圖，可見超聲速民機(jī)要成為現(xiàn)實，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)計低音爆超聲速民機(jī)，必須發(fā)展精確的音爆預(yù)測方法，建立對復(fù)雜波系環(huán)境下音爆準(zhǔn)確預(yù)測的能力！,飛行器橫截面積分布曲線,與升力相關(guān)的等效截面積分布,音爆信號從飛行器傳播至地面的距離超過10000m，計算域過大，難以在統(tǒng)一的計算模型下準(zhǔn)確預(yù)測

5、地面音爆。目前常用的方法是采用基于CFD的近場音爆計算和基于線性/非線性傳播的遠(yuǎn)場音爆計算相結(jié)合的混合模型預(yù)測方法，過程如下所示：,求解,近場區(qū)域求解,求解,求解,,,近場過壓作為初始信號,遠(yuǎn)場計算,地面音爆信號,音爆預(yù)測混合模型示意圖,,近場音爆計算是音爆預(yù)測混合模型的基礎(chǔ)和核心環(huán)節(jié),,3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國外：,遠(yuǎn)場音爆預(yù)測計算軟件,PCBoom3,CABoom,BooMap,CORBoom,PCBoom4,近場音爆計算方法,Car

6、t3D-Adjoint,FUN3D-Adjoint,Airplane-ANET,Cart3D-ANET,USM3D-SSGRID,國內(nèi)：從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，音爆預(yù)測方面的研究較少，目前僅見到：①西北工大馮曉強(qiáng)等利用簡化音爆預(yù)測（SSBP）方法對超聲速客機(jī)的音爆問題進(jìn)行了初步研究，開發(fā)了基于Matlab GUI的音爆特征分析計算軟件，實現(xiàn)了音爆特征的定量計算分析。,基于Matlab GUI的音爆特征分析計算軟件界面,②北航朱自強(qiáng)教授對

7、幾種超聲速民機(jī)低音爆設(shè)計方法進(jìn)行了綜述，并對基于Cart3D軟件和伴隨方法的低音爆設(shè)計方法結(jié)合風(fēng)洞實驗進(jìn)行了分析驗證；③中國航空科研院徐悅、宋萬強(qiáng)等對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、,,,,針對某一新式超聲速民機(jī)布局，選擇典型計算狀態(tài)（固定迎角、側(cè)滑角等）下，通過計算觀察網(wǎng)格密度、計算域大小等對計算音爆結(jié)果的影響。從而作為進(jìn)一步計算的依據(jù)。,針對該超聲速民機(jī)布局，研究發(fā)動機(jī)無噴流情況下，不同迎角、側(cè)滑角工況下的超聲速流場，提取外邊界的近場音爆特性。,針對該超聲速民機(jī)布局，研究發(fā)動機(jī)有噴流情況下，不同迎角、側(cè)滑角工況下的超聲速流場，提取外邊界的近場音爆特性。,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,研究內(nèi)容,,,擬解決的關(guān)鍵問題,正確評估該超聲速民機(jī)布局近場音爆特性,,研究方法,采用CFD軟件對給定超聲速民機(jī)近場區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，在給定條件下計算近場區(qū)域過壓分布,,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：氣動計算程序采用基于無粘笛卡爾網(wǎng)格的Cart3D程序,利用Cart3D對進(jìn)行修整以后創(chuàng)建笛卡爾體網(wǎng)格,利用Cart3D的流動解算器設(shè)置計算參數(shù)，進(jìn)

10、行流動模擬，直至收斂解,使用ICEM CFD進(jìn)行計算結(jié)果后處理解,,,可行性分析① 在NASA于2008年舉辦的低音爆計算專題研討會上，參與者分別用Cart3D-Adjoint、FUN3D-Adjoint、Airplane-ANET、Cart3D-ANET和USM3D-SSGRID等五種方法對五個外形做了壓強(qiáng)信號計算，會上對比了每個外形各種方法的計算結(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)計的工

11、具；,無因次壓強(qiáng)信號（h/l=1.167）,②中國航空研究院的徐悅宋萬強(qiáng)等人對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音爆的計算精度，甚至在有些位置Euler方程對過壓信號的描述更為準(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 的兩次實驗結(jié)果，與Cart3D、FUN3D和Air-plane等無黏計算軟件對該模型按相應(yīng)條件計算的結(jié)果進(jìn)行對比。計算結(jié)果和實驗結(jié)果彼此吻合很好，進(jìn)一步驗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。,過壓分布計算結(jié)果與實

13、驗結(jié)果的比較,計算得到給定超聲速民機(jī)在不同工況下近場區(qū)域的過壓分布,1,通過數(shù)據(jù)分析對給定超聲速民機(jī)布局的音爆水平做出正確評估,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，完成開題報告；學(xué)習(xí)CFD畫網(wǎng)格軟件，學(xué)習(xí)CFD方法和相

14、關(guān)數(shù)值計算方法，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)幾何模型近場區(qū)域的音爆信號，并根據(jù)結(jié)果對其音爆水平進(jìn)行評估，提出改進(jìn)措施；對研究結(jié)果進(jìn)行整理，撰寫畢設(shè)論文,五、開題報告主要參考文獻(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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