北航5系开题报告—新式超声速民机近场音爆数值模拟研究
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新式超声速民机近场音爆 数值模拟研究
报 告 人： xxx 学 号： xxx 指导老师： xxxxx
报告提纲
一、论文选题依据 二、论文研究方案 三、预期达到的目标和研究成果 四、论文的工作计划
一、论文选题依据
1.背景需求
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人类最大的技术 创新和进步之一。但其有两个大的弱点：①油耗高,航程短,载客量小,每年亏损4～5千万美元;② 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; 这些问题使其不得不于2003年退出航线服务！
协和式客机
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 力第二代超声速客机的研制。俄罗斯、日本和欧洲等在探讨发展新一代超声速客机的过程中， 均在考虑先期研制中、小型超声速喷气公务机，并以此作为研制未来大型超声速客机的中间步 骤和突破口，美国在制订其未来超声速民机发展规划时也遵循了同样的道路随着我国大型客机 项目的启动和进行，发展和研制新一代超音速客机具有重大的意义！
近场音爆计算是音爆预测混合模型 的基础和核心环节
3.国内外研究现状 国外：
远场音爆预测 计算软件
PCBoom3 CABoom BooMap
CORBoom
PCBoom4
近场音爆计算 方法
Cart3D-Adjoint FUN3D-Adjoint Airplane-ANET Cart3D-ANET USM3D-SSGRID
QSJ（基本外形）
QSST
SSBJ
美国国家航空航天局提出了对三代超声速民机的技术要求，如下图，可见超声速民机 要成为现实，必须保证其音爆达到可接受的程度，因此在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，也是超音速客机设计必须解决的难题。
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针对某一新式超声速民机布局，选择典型计算状态（固定
01 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。
针对该超声速民机布局，研究发动机无喷流情况下，
02 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。
针对该超声速民机布局，研究发动机有喷流情况下，
③北航朱自强教授取Gulfsfstream的低音爆模型在Langley UPWT风洞中 h l 1.2、 0、 0.256
及h
l
1.32、 48.2、 0.297的两次实验结果，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
无因次压强信号（h/l=1.167）
②中国航空研究院的徐悦宋万强等人对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了粘性影响的研究，发现Euler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；
2.选题意义
由于超声速飞机的音爆不仅与飞机的速度有关，也与飞机的大小、形状有关（主要与飞机 沿机体纵轴方向截面积分布以及与升力相关的等效截面积分布有关），为了设计低音爆超声速 民机，必须发展精确的音爆预测方法，建立对复杂波系环境下音爆准确预测的能力！
飞行器横截面积分布曲线
与升力相关的等效截面积分布
国内：
从公开发表的文献看，音爆预测方面的研究较少，目前仅见到： ①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，开发了基于Matlab GUI的音爆特征分析计算软件，实现了音爆特征的定量 计算分析。
基于Matlab GUI的音爆特征分析计算软件界面
②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；
音爆信号从飞行器传播至地面的距离超过10000mBiblioteka Baidu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，过程如下所示：
近场区求解域求解
近场过压作 为初始信号
远场求解计算
地面音求爆解 信号
音爆预测混合模型示意图
利用ICEM CFD软件为给定 的超声速民机几何模型创建
非结构表面网格，解
利用Cart3D对进行修整以后 创建笛卡尔体网格
使用ICEM CFD进行计算结
果后处理解
利用Cart3D的流动解算器设 置计算参数，进行流动模拟，
直至收敛解
可行性分析
① 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），表明它们可以作为分析设计的工具；
03 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低其
04
音爆水平的可能措施。
拟解决的关键问题
正确评估该超声速民机布局近场音爆特性
研究方法
采用CFD软件对给定超声速民机近场区域进行 数值模拟，在给定条件下计算近场区域过压分 布
技术路线：气动计算程序采用基于无粘笛卡尔网格的Cart3D程序
此分析方法的正确性，可用于低音爆和低阻的外形优化设计。
③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 69 的三角翼升力体构型的近场音爆进行了粘性影响的研究。
SEEB-SLR模型的几何构型
三角翼升力体的几何构型
二、论文研究方案
研究目标
新式超声速民机模型
01 评估一新式超声速民机布局音爆水平
02 提出可降低音爆的改进措施
研究内容
报 告 人： xxx 学 号： xxx 指导老师： xxxxx
报告提纲
一、论文选题依据 二、论文研究方案 三、预期达到的目标和研究成果 四、论文的工作计划
一、论文选题依据
1.背景需求
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人类最大的技术 创新和进步之一。但其有两个大的弱点：①油耗高,航程短,载客量小,每年亏损4～5千万美元;② 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; 这些问题使其不得不于2003年退出航线服务！
协和式客机
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 力第二代超声速客机的研制。俄罗斯、日本和欧洲等在探讨发展新一代超声速客机的过程中， 均在考虑先期研制中、小型超声速喷气公务机，并以此作为研制未来大型超声速客机的中间步 骤和突破口，美国在制订其未来超声速民机发展规划时也遵循了同样的道路随着我国大型客机 项目的启动和进行，发展和研制新一代超音速客机具有重大的意义！
近场音爆计算是音爆预测混合模型 的基础和核心环节
3.国内外研究现状 国外：
远场音爆预测 计算软件
PCBoom3 CABoom BooMap
CORBoom
PCBoom4
近场音爆计算 方法
Cart3D-Adjoint FUN3D-Adjoint Airplane-ANET Cart3D-ANET USM3D-SSGRID
QSJ（基本外形）
QSST
SSBJ
美国国家航空航天局提出了对三代超声速民机的技术要求，如下图，可见超声速民机 要成为现实，必须保证其音爆达到可接受的程度，因此在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，也是超音速客机设计必须解决的难题。
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit.
针对某一新式超声速民机布局，选择典型计算状态（固定
01 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。
针对该超声速民机布局，研究发动机无喷流情况下，
02 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。
针对该超声速民机布局，研究发动机有喷流情况下，
③北航朱自强教授取Gulfsfstream的低音爆模型在Langley UPWT风洞中 h l 1.2、 0、 0.256
及h
l
1.32、 48.2、 0.297的两次实验结果，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
无因次压强信号（h/l=1.167）
②中国航空研究院的徐悦宋万强等人对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了粘性影响的研究，发现Euler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；
2.选题意义
由于超声速飞机的音爆不仅与飞机的速度有关，也与飞机的大小、形状有关（主要与飞机 沿机体纵轴方向截面积分布以及与升力相关的等效截面积分布有关），为了设计低音爆超声速 民机，必须发展精确的音爆预测方法，建立对复杂波系环境下音爆准确预测的能力！
飞行器横截面积分布曲线
与升力相关的等效截面积分布
国内：
从公开发表的文献看，音爆预测方面的研究较少，目前仅见到： ①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，开发了基于Matlab GUI的音爆特征分析计算软件，实现了音爆特征的定量 计算分析。
基于Matlab GUI的音爆特征分析计算软件界面
②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；
音爆信号从飞行器传播至地面的距离超过10000mBiblioteka Baidu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，过程如下所示：
近场区求解域求解
近场过压作 为初始信号
远场求解计算
地面音求爆解 信号
音爆预测混合模型示意图
利用ICEM CFD软件为给定 的超声速民机几何模型创建
非结构表面网格，解
利用Cart3D对进行修整以后 创建笛卡尔体网格
使用ICEM CFD进行计算结
果后处理解
利用Cart3D的流动解算器设 置计算参数，进行流动模拟，
直至收敛解
可行性分析
① 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），表明它们可以作为分析设计的工具；
03 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低其
04
音爆水平的可能措施。
拟解决的关键问题
正确评估该超声速民机布局近场音爆特性
研究方法
采用CFD软件对给定超声速民机近场区域进行 数值模拟，在给定条件下计算近场区域过压分 布
技术路线：气动计算程序采用基于无粘笛卡尔网格的Cart3D程序
此分析方法的正确性，可用于低音爆和低阻的外形优化设计。
③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 69 的三角翼升力体构型的近场音爆进行了粘性影响的研究。
SEEB-SLR模型的几何构型
三角翼升力体的几何构型
二、论文研究方案
研究目标
新式超声速民机模型
01 评估一新式超声速民机布局音爆水平
02 提出可降低音爆的改进措施
研究内容