一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法与流程

本发明涉及超声速低声爆飞行器气动优化设计，具体涉及一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法。

背景技术：

1、超声速飞行器能够在不同的任务背景下提供极高的飞行效率，然而现存的一些共性问题限制了它们的应用场景。超声速飞行时，近场产生的激波-膨胀波波系经过大气传播与演化，最终在地面形成“n”型分布的强压力脉动，表征为强烈的噪声影响，对地面的建筑物及生物体造成严重的损害，这就是声爆现象。关于超声速民机的最早研究起始于上世纪50年代，诞生了协和号、图-144、b2707等型号，“协和号”还曾拥有短暂而辉煌的运营历程。然而 “协和号”的声爆初始过压达到2psf，响度约为107pldb，被世界各国禁止在陆地上空飞行，只能在海洋上空发挥速度优势，严重制约了经济效益，最终被迫停止运营。因此，发展新一代超声速民机，首先要解决历史遗留的声爆问题。

2、低声爆设计主要有流动控制、气动布局与外形优化两类途径，相比于各种概念前卫的流动控制方法，气动布局与外形优化工程实用性更强。对于一个已知的气动外形，对其进行参数化，不断调整优化构型，以降低声爆水平，属于正向设计方法，正向设计方法较大程度依赖于初始构型，一个不合理的初始构型即使通过正向设计也难以达到设计要求。更合理是反设计方法，从一个既定的设计目标出发，反推出低声爆外形。

3、飞行器的等效面积分布由沿机身轴线的升力分布与体积分布叠加构成，直接决定飞行器声爆特性，是低声爆反设计方法的重要参量。目前应用最广的是基于jsgd理论的反设计方法，以良好的等效面积分布为设计指标，由jones、seebass、george、dargen在20世纪70年代提出，并由rallabhandi和plotkin等进行了发展。然而，在工程应用中，jsgd反设计方法表现出了一些缺陷，如：

4、1）需要人为调整等效截面积分布来与目标分布相匹配，存在试凑问题；

5、2）将飞行器处理为等效旋成体，无法对复杂外形的飞行器进行设计；

6、3）基于超声速线化理论开展，只能用于概念设计阶段，难以满足后续详细设计阶段的精度要求；

7、4）传统的f-函数设计思想以双激波低声爆原理为核心，无法兼顾其他学科的设计要求，如阻力、操稳、进排气、隐身等，设计弹性较弱。

8、为了突破jsgd方法在直观性、精细化程度等方面的局限性，提出了一种由目标等效面积分布定义目标函数，直接指导低声爆外形开展伴随优化设计的低声爆反设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，包括以下步骤

4、步骤1、从目标远场声爆信号出发反推目标等效面积分布，据此提出优化模型的目标函数；

5、步骤2、基于等效面积分布伴随方程求解目标对气动外形设计变量的梯度信息；

6、步骤3、驱动设计变量更新，实现低声爆细节优化设计。

7、进一步的，步骤1中，综合考虑低声爆适航要求和物理细节，确定目标远场声爆信号，基于逆向传播与本征正交分解或声爆伴随方程分别结合的近场声爆信号反演方法反演相应的目标近场声爆信号，进一步通过abel变换得到目标等效面积分布，将目标等效面积分布与当前气动外形等效面积分布的向量欧氏距离作为优化数学模型的目标函数，目标等效面积分布与当前气动外形等效面积分布的向量欧氏距离的公式如下：

8、

9、其中w为流场守恒变量，x为流场网格变量，d为设计变量，当流场收敛时，r（w,x,d）=0，

10、

11、其中，为拉格朗日算子，

12、

13、其中，j为等效面积分布目标函数，定义为表征当前等效面积分布与目标等效面积分布向量的欧氏距离，当计算收敛时r=0，此时l=j，m为是表征等效面积分布的向量维度，与近场声压提取线覆盖的网格点数一致，为第i个离散点对应的目标等效面积分布， 为第i个离散点对应的当前等效面积。

14、进一步的，步骤2中，求解等效面积分布伴随方程，仅经过一次矩阵运算即可求解目标函数对所有气动外形设计变量的梯度信息，不受设计变量规模限制，实现梯度快速求解，等效面积分布伴随方程如下：

15、。

16、进一步的，步骤2中，等效面积分布离散伴随方程的左端项与流场伴随方程的左端项一致，沿用其变分形式，并且可以通过多种中心格式、迎风格式求解；右端项的推导方法为，明确目标函数的数学形式，以流场原始变量作为变分的中间变量，推导目标函数对流场原始变量的变分，再乘以流场原始变量对流场守恒变量的变分，等效面积分布伴随方程右端项公式如下：

17、

18、

19、其中，c为常值系数。

20、进一步的，步骤2中，在物理空间内定义一个“控制盒”，在并行计算过程中，各进程记录所有位于“控制盒”内的逻辑坐标、物理坐标及进程编号信息，按进程存储，等效面积分布伴随方程源项计算完毕后，按照物理空间位置与记录的控制盒内格心信息组合，按照逻辑坐标与进程编号重新组合装配。

21、综上所述，本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：在国内首次实现了等效面积分布直接指导的低声爆精细化设计；突破了传统反设计方法存在的试凑、精度低的局限性；在精细化设计中具有优化空间大、优化效果明显的优势；能够有效缩短面向大规模设计变量的精细化优化设计周期，提高优化效率；另外，该方法能够同时兼顾飞行器的低声爆与低阻设计，为超声速民机声爆-气动力综合设计提供了新思路。

技术特征：

1.一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，其特征是，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，其特征是：所述的步骤1中，综合考虑低声爆适航要求和物理细节，确定目标远场声爆信号，基于逆向传播与本征正交分解或声爆伴随方程分别结合的近场声爆信号反演方法反演相应的目标近场声爆信号，进一步通过abel变换得到目标等效面积分布，将目标等效面积分布与当前气动外形等效面积分布的向量欧氏距离作为优化数学模型的目标函数，目标等效面积分布与当前气动外形等效面积分布的向量欧氏距离的公式如下：

3.如权利要求1所述的一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，其特征是：所述的步骤2中，求解等效面积分布伴随方程，仅经过一次矩阵运算即可求解目标函数对所有气动外形设计变量的梯度信息，不受设计变量规模限制，实现梯度快速求解，等效面积分布伴随方程如下：

4.如权利要求3所述的一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，其特征是：所述的步骤2中，等效面积分布离散伴随方程的左端项与流场伴随方程的左端项一致，沿用其变分形式，并且可以通过多种中心格式、迎风格式求解；右端项的推导方法为，明确目标函数的数学形式，以流场原始变量作为变分的中间变量，推导目标函数对流场原始变量的变分，再乘以流场原始变量对流场守恒变量的变分，等效面积分布伴随方程右端项公式如下：

5.如权利要求3所述的一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，其特征是：所述的步骤2中，在物理空间内定义一个“控制盒”，在并行计算过程中，各进程记录所有位于“控制盒”内的逻辑坐标、物理坐标及进程编号信息，按进程存储，等效面积分布伴随方程源项计算完毕后，按照物理空间位置与记录的控制盒内格心信息组合，按照逻辑坐标与进程编号重新组合装配。

技术总结
本发明公开了一种超声速低声爆飞行器等效面积分布伴随优化设计方法，涉及超声速低声爆飞行器气动优化设计技术领域，其技术要点包括步骤1、从目标远场声爆信号出发反推目标等效面积分布，据此提出优化模型的目标函数；步骤2、基于等效面积分布伴随方程求解目标对气动外形设计变量的梯度信息；步骤3、驱动设计变量更新，实现低声爆细节优化设计。具有方法搜索效率高，优化效果明显，对全机的超声速阻力及声爆性能都有较好的改善，能够为超声速民机详细设计阶段的气动力‑声爆综合优化设计提供有力的技术基础的效果。

技术研发人员：黄江涛,刘刚,马创,周琳,邓俊,舒博文,陈宪,陈诚
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16