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分层大气湍流场对远场声爆传播的影响

航空学报 2023年第2期44卷 120-135页

作者：乔建领韩忠华丁玉临宋文萍宋笔锋西北工业大学航空学院环保型超声速客机研究中心/气动与多学科优化设计研究所西安710072 西北工业大学航空学院翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室西安710072

研究大气湍流对声爆的影响对于新一代超声速民机的低声爆设计具有重要意义。在真实大气环境中,大气湍流是普遍存在的,其会使低声爆波形在由高空向地面传播的过程中发生扭曲、畸变和振荡,并改变波形的能量分布。利用基于单向近似假设的二... 详细信息

研究大气湍流对声爆的影响对于新一代超声速民机的低声爆设计具有重要意义。在真实大气环境中,大气湍流是普遍存在的,其会使低声爆波形在由高空向地面传播的过程中发生扭曲、畸变和振荡,并改变波形的能量分布。利用基于单向近似假设的二维HOWARD方程,以类Tu-144飞机的N型波和经过JSGD声爆最小化理论设计的低声爆波形为对象,研究分层大气湍流对N型波和低声爆波形的影响。首先,介绍了考虑大气边界层湍流效应的声爆传播模拟方法,包括改进的二维HOWARD方程及其离散求解方法、分层大气湍流场的建模方法,并采用JAXA抛体试验数据对预测方法的有效性进行了验证,同时与KZK方程预测结果进行了对比。其次,运用本文发展方法研究了N型波和低声爆波形在分层大气边界层湍流场中的传播情况,对地面可观测波形的主观噪声级和超压峰值进行了统计分析,发现大气湍流对增大N型波和低声爆波形主观噪声级(ASEL、PLdB)的概率很小,但很大程度上会增强波形超压峰值。最后,通过改变大气湍流生成过程中3个参数的数值,研究了不同强度的大气湍流场对声爆波形的影响,结果表明:风速脉动幅值和湍流积分尺度的增强对N型波和低声爆波形的感觉声压级影响较大,其平均值随湍流强度的增强而减小,但最大值却增大。因此,对于超声速民机低声爆设计来讲,仍然需要确定大气湍流对地面声爆的影响程度,评估湍流场作用下波形偏离设计结果的可能性。

关键词：声爆超声速民机 HOWARD方程大气湍流计算流体力学

超声速民机机动飞行的聚焦声爆全场预测方法研究

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宇航学报 2024年第10期45卷 1538-1551页

作者：范杰韩忠华乔建领陈晴杨瀚宋文萍西北工业大学航空学院西安710072 西北工业大学环保型超声速客机研究中心/气动与多学科优化设计研究所西安710072 飞行器基础布局全国重点实验室西安710072

超声速民机在加速、俯冲等机动飞行阶段会产生强烈的聚焦声爆,其全场预测方法是当前国际上研究的热点和难点之一。由于目前无法承受全域非定常计算带来的成本,故而将聚焦声爆全场预测分为焦散计算和波形预测两部分,并在两部分之间迭代... 详细信息

超声速民机在加速、俯冲等机动飞行阶段会产生强烈的聚焦声爆,其全场预测方法是当前国际上研究的热点和难点之一。由于目前无法承受全域非定常计算带来的成本,故而将聚焦声爆全场预测分为焦散计算和波形预测两部分,并在两部分之间迭代求解得到地面聚焦位置和声爆强度。首先,通过耦合求解机动飞行航迹和声射线传播路径,发展了迭代求交点和推进求包络线两类焦散计算方法。其次,在焦散计算和近场计算加中/远场传播之间迭代求得入射波形,作为求解广义Tricomi方程的输入,发展了一套聚焦声爆全场预测方法,并自主开发了预测程序FC-Boom。最后,采用AIAA第三届声爆预测研讨会标模算例和美国SCAMP项目飞行试验算例,验证了全场预测方法和程序的正确性。该工作可作为聚焦声爆抑制和低聚焦声爆设计的基础。

关键词：超声速民机机动飞行聚焦声爆焦散计算广义Tricomi方程

超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展

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航空学报 2023年第2期44卷 14-40页

作者：丁玉临韩忠华乔建领聂晗宋文萍宋笔锋西北工业大学航空学院环保型超声速客机研究中心/气动与多学科优化设计研究所西安710072 西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室西安710072

超声速民机已成为世界民机未来发展的主要方向之一。超声速民机由于涉及声爆等一系列特殊的技术问题,比亚声速民机的性能要求更苛刻,对总体气动布局设计提出了更高要求。首先,根据设计思想和主要技术特点,将世界迄今为止的代表性超声速... 详细信息

超声速民机已成为世界民机未来发展的主要方向之一。超声速民机由于涉及声爆等一系列特殊的技术问题,比亚声速民机的性能要求更苛刻,对总体气动布局设计提出了更高要求。首先,根据设计思想和主要技术特点,将世界迄今为止的代表性超声速民机布局方案划分为三代:第1代布局主要旨在实现民用超声速飞行并兼顾高低速性能,基本为三角翼/双三角翼布局;第2代布局更加重视低声爆/低阻性能,主要采用大后掠箭形翼布局;第3代布局在低声爆/低阻要求基础上,更加注重多学科综合性能和技术可行性,主要采用“大后掠机翼+鸭翼/T尾/V尾布局和发动机短舱背负式/尾吊式”的布局。其次,梳理了新一代超声速民机总体气动布局设计目前面临的技术瓶颈和难点,对总体设计技术、低声爆设计技术、超声速减阻技术和飞-发一体化设计技术的国内外研究进展和现状进行了综述和分析。最后,展望了新一代超声速民机总体气动布局的发展趋势,针对仍需突破的关键科学与技术问题,探讨了重要研究方向。未来将优先发展超声速公务机或中小型超声速民机,其布局技术特点趋近于第3代布局,声爆、减阻、飞-发一体化、起降噪声、气动弹性、人机功效等方面的综合性能和工程可实现性将成为重点研究对象。

关键词：超声速民机总体设计低声爆设计超声速减阻飞-发一体化设计

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

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空气动力学学报 2019年第4期37卷 620-635页

作者：韩忠华乔建领丁玉临王刚宋笔锋宋文萍西北工业大学航空学院超声速客机研究中心西安710072 西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西安710072

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及... 详细信息

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。

关键词：超声速客机声爆预测声爆抑制层流减阻气动/声爆综合优化设计

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基于代理模型的低声爆优化设计方法

基于代理模型的低声爆优化设计方法

2016年度全国气动声学学术会议

作者：乔建领韩忠华西北工业大学航空学院

发展低声爆优化设计方法,对于未来超声速客机研究而言,具有重要的理论意义和工程应用价值。国内有人将声爆预测算法与遗传算法相结合,形成了低声爆布局混合优化方法;国际上也有研究者将基于Adjoint的梯度化方法或其他优化方法（如单纯... 详细信息

发展低声爆优化设计方法,对于未来超声速客机研究而言,具有重要的理论意义和工程应用价值。国内有人将声爆预测算法与遗传算法相结合,形成了低声爆布局混合优化方法;国际上也有研究者将基于Adjoint的梯度化方法或其他优化方法（如单纯形方法）引入到低声爆优化设计中。遗传算法全局性好,但优化效率低;而梯度优化虽然优化效率高,但容易陷入局部最优。本文将最新发展的具有全局优化能力的代理优化算法与线化声爆预测理论相结合,发展了一种高效全局的低声爆优化设计方法。首先,介绍了所采用的远场声爆预测的线化理论。线化预测方法计算效率高、且预测精度可以满足工程设计的需要。其次,概述了所采用的代理优化方法的几个关键要素,包括试验设计、代理模型、优化加点准则和子优化方法等。最后,给出了某多段圆锥模型的低声爆优化设计算例。将本文方法与遗传算法和梯度优化方法进行了比较;结果表明,本文方法的优化结果优于梯度优化方法,且优化效率相比于遗传算法有显著提高。

关键词：声爆优化代理模型线性理论遗传算法梯度优化

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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一种先进超声速民机低声爆高效气动布局设计

航空学报 2024年第6期45卷 115-133页

作者：李军府陈晴王伟韩忠华谭玉婷丁玉临谢露乔建领宋科艾俊强西北工业大学航空学院西安710072 航空工业第一飞机设计研究院西安710089 西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室西安710072 西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西安710072

低声爆高效气动布局设计是超声速民机研究的重点和关键技术之一。采用基于声爆最小化理论反设计方法、波系有益干扰后体设计方法、参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法,提出了一种先进超声速民机低声爆气动布局,对每一步降低声爆... 详细信息

低声爆高效气动布局设计是超声速民机研究的重点和关键技术之一。采用基于声爆最小化理论反设计方法、波系有益干扰后体设计方法、参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法,提出了一种先进超声速民机低声爆气动布局,对每一步降低声爆的效果进行了分析并研究了该布局的全声爆毯特性;采用CFD数值求解近场声爆信号并通过Burgers方程传播到远场,研究了飞行高度、飞行马赫数等参数对该气动布局地面声爆响度的影响;采用CFD数值模拟方法研究了飞行高度、马赫数等参数对该气动布局气动特性的影响。研究表明,采用基于声爆最小化理论反设计方法降低了基准气动布局的地面声爆响度约6.54 PLdB,采用波系有益干扰后体设计方法进一步使地面声爆响度降低了约0.97 PLdB,采用参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法使气动布局地面声爆响度进一步降低了约4.04 PLdB;合理地设计飞行高度、飞行马赫数,可以有效地降低地面声爆响度;合理地选择巡航飞行高度和巡航飞行马赫数,可以有效地提高巡航效率。研究工作对超声速民机气动布局设计具有一定的工程指导价值,对超声速民机总体气动方案设计亦具有一定的工程借鉴意义。

关键词：超声速民机低声爆气动布局地面声爆响度巡航效率马赫数飞行高度机翼后掠角

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

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航空学报 2020年第5期41卷 25-65页

作者：韩忠华许晨舟乔建领柳斐池江波孟冠宇张科施宋文萍西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所翼型、叶栅空气动力学重点实验室西安710072

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法,在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法(SBO),由于能够实现高效全局优化,逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来,代理优化算法... 详细信息

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法,在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法(SBO),由于能够实现高效全局优化,逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来,代理优化算法研究已取得了长足进步,多种先进的新型代理模型被提出,优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景,综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先,介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后,针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题,介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展,以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明,代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良,已经发展到可以解决100维(100个设计变量)以内的气动优化设计问题,具有良好的工程应用前景。最后,探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战,给出了未来研究方向的建议。

关键词：气动优化设计多学科优化设计代理模型代理优化计算流体力学

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

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空气动力学学报 2019年第4期37卷 663-674页

作者：乔建领韩忠华丁玉临池江波孟冠宇宋笔锋宋文萍西北工业大学航空学院超声速客机研究中心西安710072 西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西安710072

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影... 详细信息

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。

关键词：超声速客机声爆预测广义Burgers方程声射线方法大气风

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一种T尾超声速公务机低声爆布局设计研究

一种T尾超声速公务机低声爆布局设计研究