[发明专利]一种超音速飞行器音爆预测方法

权利要求书

1.一种超音速飞行器音爆预测方法，采用CFD数值模拟与远场外插相结合的方法实现超音速飞行器的音爆预测，具体包括以下步骤：

1)CFD数值模拟前期准备工作：根据超音速飞行器的构型、来流条件、关注区域信息，绘制满足要求的结构或非结构网格，确定CFD求解器以及求解方法；

2)根据步骤1)所绘制的结构或非结构网格以及所确定的CFD求解器，进行超音速飞行器的CFD求解，得到飞行器的近场压力特征，如果飞行器是加速或者机动状态，则需根据时间依赖性来对近场压力特征进行修改；

3)提取飞行器近场静态压力特征：从步骤2)求解得到的飞行器的近场压力特征中提取飞行器下方1-3倍特征长度处压力分布作为近场静态压力特征的初始波形，近场静态压力特征提取位置要距离飞行器足够近，以保证CFD求解器本身存在的数值耗散不会影响结果的逼真度；与此同时提取位置还要距离飞行器足够远以保证可以忽略横流和升力效应的影响；

4)考虑斜率、压力增长和持续时间参数的影响，通过任意数量的线性线段来近似表示初始波形的形状，得到描述波形参数变化的一阶耦合微分方程组；

5)周期性求解描述波形参数变化的一阶耦合微分方程组，得到下一时刻波形的信息，所述下一时刻波形的信息包括传播方向，传播时间、高度和下一时刻波形的斜率、压力增长和持续时间，具体为：

描述波形参数变化的一阶耦合微分方程组为：

其中m_i是线段i的斜率Δp_i是第i段和第i-1段连接处穿过激波的压力增长，无激波时为0；λ_i是第i段的持续时间ΔT；

C₁,C₂为过程变量，其表达式为：

其中γ＝1.4为常数，a₀为所在高度音速；p₀为所在高度大气压；ρ₀为所在高度密度；c_n＝c+v·n为波形传播速度；c为声速，v为风速，n是波阵面法向量；A为射线管面积； a₀,p₀,ρ₀,A,c_n是高度z的函数，所以沿着射线管变化；

不均匀大气有风条件下，对于任意波阵面形状传播的波来说，C₁和C₂沿着射线管是变化的，但是，如果假设这些量在很小的时间增长内是常数，则上述波形变形方程可积分得到解：

当：(1)或者时

(2)或时

近似得到：

通过上述关系式可以看出，当给定后，关键就是计算出C₁,C₂，由C₁,C₂的表达式可以看出，计算的关键是得到所在高度a₀,p₀,ρ₀,c_n和A随时间变化的微小变化率，因此首先需要采用合适的计算射线路径的方法得到射线路径，然后得到沿射线路经a₀,ρ₀,c_n的时间变化率射线管面积可以通过射线管上多个点的坐标和方向计算得到；

针对射线管初始值和初始位置、射线方向，射线管面积以及空间推进方法描述射线管推进过程：上一高度的射线位置和方向确定之后，就可以在空间推进到下一高度，在压力传播过程中，射线方向取决于所在高度音速和风速，当高度发生变化时，大气属性发生变化的同时，音速和风速随之变化，所以传播方向随着高度变化，下一射线点的传播方向为：射线上某点从上一高度传播到下一高度的过程中存在空间偏移量，下一高度射线的传播方向为上一高度的传播方向加上传播过程中的偏移量，将相对偏移量投影到空间三个方向上，并将所得分量加到原来方向向量上就得到新的射线点的传播方向；

6)重复执行步骤5)，直至计算高度降为指定高度，即得到指定高度处的过压值，作为音爆特征，评估音爆特征与地面的相互影响。