CN111783223B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
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；
选取占取特征值总比例95％以上的前几阶模态；
采用史蒂文斯响度级计算方法，计算地面声爆感觉噪声级；
设计出低感觉噪声级的地面过压信号；
基于Gappy POD方法反求模态叠加系数；
通过反求的模态叠加系数，反求近场过压信号。
优选地，所述基于CFD网格划分，根据反求的近场过压信号和指定的机身下方位置某一长度线段，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包括：
基于CFD网格划分，输入近场过压信号；
在超声速飞行器机身下方位置指定某一长度线段；
由指定线段进行与CFD网格分布相交的网格单元标识；
基于标识网格单元，进行近场过压由均匀坐标系向CFD非均匀坐标系转换；
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。
优选地，所述某一长度线段覆盖所有主要波系。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本方法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，步骤简单，操作方便，效率极高。
附图说明
图1为本发明提供的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的流程图；
图2为本发明提供的初始近场波形示意图；
图3为本发明提供的经典控制点示意图；
图4为本发明提供的近场过压分布示意图；
图5为本发明提供的近场过压分布示意图；
图6为本发明提供的远场过压分布示意图；
图7为本发明提供的远场过压分布示意图；
图8为本发明提供的近场信号和远场信号的矢量形式示意图；
图9为本发明提供的初始外形近场空间波系示意图；
图10为本发明提供的近场伴随云图；
图11为本发明提供的优化前后气动外形对比示意图；
图12为本发明提供的初始与优化外形声压级频谱特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
参考图1，一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。
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。
具体为，基于给定的气动布局，计算初始近场波形，指定典型控制点，如图2和图3所示；
基于B样条技术实现初始近场波形曲线参数化，采用拉丁超立方技术对近场波形进行扰动采样，如图4和图5所示；
利用所发展的CNBoom软件对近场采样信号进行远场过压计算，如图6和图7所示。声爆计算方法采用广义Burgers方程，如式(1)所示：
如图8所示，文本中将近场信号和远场信号排列为矢量形式，并对其进行本征正交分解(proper orthogonal decomposition，POD)。
提取各分解模态及其特征值分布，反求近场过压信号。
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；
选取占取特征值总比例95％以上的前几阶模态；
采用史蒂文斯响度级计算方法，计算地面声爆感觉噪声级；
设计出低感觉噪声级的地面过压信号；
基于Gappy POD方法反求模态叠加系数；
通过反求的模态叠加系数，反求近场过压信号。
具体为，提取各分解模态及其特征值分布，按式(2)选取占取特征值总比例95％以上的模态；
计算地面声爆感觉噪声级：将地面声爆时域信号进行快速傅里叶变换，得到每个频段上的声压级(三分之一倍频程)，根据各频段中心频率的声压级，采用线性插值确定各频段响度。最后将各个频段的宋值按以下求和方式获得总强度，如式(3)所示：
St＝Sm+F(∑Si-Sm) (3)
其中，St是总强度，Sm是响度最大值，∑Si是各个频段的响度和，进一步通过式(4)求出感觉噪声级(Perceived noise Level,PLdB)：
P＝32+9log2(St) (4)
指定具有低感觉噪声级的地面过压分布，将该过压分布作为目标压力分布；
基于选定模态分量与设计的地面过压信号，由Gappy POD方法反求近场过压，即首先将缺失样本可以写成如式(5)的形式：
其中，X代表未知元素，也就是代表我们需要反求的近场过压分布。
通过最小二乘法使用提取出来的最优POD模态对数据中已知的部分进行重构，ΦS代表已知基模态，从而求出缺失数据也就是近场过压如式(6)和式(7)所示：
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。
所述基于CFD网格划分，根据反求的近场过压信号和指定的机身下方位置某一长度线段，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包括：
基于CFD网格划分，输入近场过压信号；
在超声速飞行器机身下方位置指定某一长度线段；
由指定线段进行与CFD网格分布相交的网格单元标识；
基于标识网格单元，进行近场过压由均匀坐标系向CFD非均匀坐标系转换；
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。
优选地，所述某一长度线段覆盖所有主要波系。
具体为，根据反求的近场过压在超声速飞行器机身下方位置指定一定长度线段，如图9所示，该长度要覆盖所有的主要波系，本实施例的主要波系为图9中出现的波；
通过直线与平面相交算法确定线段相交的网格单元；
基于分段线性插值进行过压向CFD标识单元转换；
由近场过压与目标过压分布构造以下目标函数，进一步进行构造如式(8)所示的伴随方程，；
基于离散伴随方程求解设计变量的梯度，并传入优化算法模块，梯度求解的计算采用如式(9)、(10)和(11)所示的公式：
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。
具体为，基于最优外形设计变量导出设计外形，进行CFD分析以及声爆计算，检验设计可靠性，图10和图11给出了近场伴随云图以及设计前后示意图。图12给出了采用本发明进行多轮优化迭代的结果对比，验证了本发明的有效性。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。在扩展到具体的应用中，可以根据自身的优化框架需求，对相关步骤进行修改，但回避复杂变分过程的基本思路不变，适用于结构网格情况，也适用于非结构网格情况。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种面向超声速飞行器远场声爆抑制的近场伴随优化方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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；
选取占取特征值总比例95％以上的前几阶模态；
采用史蒂文斯响度级计算方法，计算地面声爆感觉噪声级；
设计出低感觉噪声级的地面过压信号；
基于Gappy POD方法反求模态叠加系数；
通过反求的模态叠加系数，反求近场过压信号。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述基于CFD网格划分，根据反求的近场过压信号和指定的机身下方位置某一长度线段，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包括：
基于CFD网格划分，输入近场过压信号；
在超声速飞行器机身下方位置指定某一长度线段；
由指定线段进行与CFD网格分布相交的网格单元标识；
基于标识网格单元，进行近场过压由均匀坐标系向CFD非均匀坐标系转换；
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。
5.根据权利要求4所述的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，其特征在于，所述某一长度线段覆盖所有主要波系。
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