基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响
收稿日期: 2021-09-03
修回日期: 2021-09-24
录用日期: 2021-10-08
网络出版日期: 2021-10-12
基金资助
国家自然科学基金(11672280)
Atmospheric turbulence effects on sonic boom propagation based on augmented Burgers equation
Received date: 2021-09-03
Revised date: 2021-09-24
Accepted date: 2021-10-08
Online published: 2021-10-12
Supported by
National Natural Science Foundation of China(11672280)
声爆是发展超声速民机不可回避的关键问题之一。目前流行的声爆预测技术主要针对静止大气，对大气中的湍流扰动效应考虑不足，尚未建立高效高逼真度的预测方法。基于广义Burgers方程的远场声爆预测方法，通过与射线法相结合，建立了一套可考虑热黏性吸收、分子弛豫等物理效应的大气湍流声爆影响快速预测方法，并采用该方法开展了大气湍流强度和大气边界层厚度对典型远程超声速民机的声爆特性影响规律研究。计算结果表明：建立的预测方法能够合理表征热黏性吸收、分子弛豫等大气物理效应，相比前期基于波形参数法框架的预测方法，能够更加真实地反映大气湍流对声爆传播特性的影响；相比于前期的典型超声速公务机，采用的远程超声速民机声爆波形更加复杂，该预测方法仍能给出复杂波系的大气湍流影响规律；随着湍流强度和边界层厚度的增加，大气湍流效应对声爆特性产生的随机性影响呈增强趋势；同时，声爆在地面到达点的位置也呈现出更加分散的趋势，其可能会改变声爆毯对地面的影响范围，应在飞行轨迹规划中予以考虑。
关键词： 超声速民机; 均匀各向同性大气湍流; 广义Burgers方程; 声爆预测; 湍流强度; 大气边界层
王迪 , 冷岩 , 杨龙 , 韩忠华 , 钱战森 . 基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响[J]. 航空学报, 2023 , 44(2) : 626318 -626318 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2021.26318
Sonic boom is one of the key problems in the supersonic civil aircraft development. The current popular sonic boom prediction technology mainly functions for the static atmosphere， with little consideration of the dynamic effects such as atmospheric turbulence disturbance， resulting in a lack of efficient and high-fidelity prediction method. This paper establishes a set of rapid sonic boom prediction methods considering the physical effects of thermoviscous absorption and molecular relaxation， based on a far-field sonic boom prediction by solving the augmented Burgers equation and combining the ray tracing method. This method is then used to study the influence of atmospheric turbulence intensity and atmospheric turbulence boundary layer height on the sonic boom signatures of a typical long-range supersonic civil aircraft. The results show that the proposed prediction method can reasonably characterize the thermoviscous absorption and molecular relaxation. Compared with the previous prediction method， it can truly describe the influence of atmospheric turbulence on the propagation characteristics of sonic boom. Despite the higher complexity of the sonic boom waveform of the example used in this article than that of the previous typical supersonic business jets， this prediction method can still explain the influence of atmospheric turbulence in the complex wave system. As the turbulence intensity and the boundary layer height increase， the random influence of atmospheric turbulence on the characteristics of the sonic boom increases. Meanwhile， the location of the sonic boom arrival points also shows a more scattered trend， which may change the impact range of the sonic boom on the ground. Therefore， the turbulence intensity and turbulence boundary layer height should be considered in flight trajectory planning.
| 1 | 钱战森， 韩忠华. 声爆研究的现状与挑战［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（4）： 601-619， 600. |
| QIAN Z S， HAN Z H. Progress and challenges of sonic boom research［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（4）： 601-619， 600 （in Chinese）. | |
| 2 | 朱自强， 兰世隆. 超声速民机和降低音爆研究［J］. 航空学报， 2015， 36（8）： 2507-2528. |
| ZHU Z Q， LAN S L. Study of supersonic commercial transport and reduction of sonic boom［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（8）： 2507-2528 （in Chinese）. | |
| 3 | 黄江涛， 张绎典， 高正红， 等. 基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化［J］. 航空学报， 2019， 40（5）： 122505. |
| HUANG J T， ZHANG Y D， GAO Z H， et al. Sonic boom optimization of supersonic jet based on flow/sonic boom coupled adjoint equations［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（5）： 122505 （in Chinese）. | |
| 4 | 兰世隆. 超声速民机声爆理论、预测和最小化方法概述［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（4）： 646-654， 645. |
| LAN S L. Overview of sonic boom theory， prediction and minimization methods for supersonic civil aircraft［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（4）： 646-654， 645 （in Chinese）. | |
| 5 | 张力文， 宋文萍， 韩忠华， 等. 声爆产生、传播和抑制机理研究进展［J/OL］. 航空学报， （2021-08-04）［2021-09-29］. . |
| ZHANG L W， SONG W P， HAN Z H， et al. Recent progress of sonic boom generation， propagation and mitigation mechanism［J/OL］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， （2021-08-04） ［2021-09-29］. （in Chinese）. | |
| 6 | 韩忠华， 乔建领， 丁玉临， 等. 新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（4）： 620-635. |
| HAN Z H， QIAO J L， DING Y L， et al. Key technologies for next-generation environmentally-friendly supersonic transport aircraft： a review of recent progress［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（4）： 620-635 （in Chinese）. | |
| 7 | 钱战森， 冷岩， 高亮杰， 等. 超声速飞行器声爆预测技术研究现状与发展建议［J］. 气动研究与实验， 2020， 32（1）： 89-100. |
| QIAN Z S， LENG Y， GAO L J， et al. Current status and development proposals of sonic boom prediction technique for supersonic aircraft［J］. Aerodynamic Research & Experiment， 2020， 32（1）： 89-100 （in Chinese）. | |
| 8 | 刘中臣， 钱战森， 冷岩， 等. 声爆近场空间压力风洞测量技术［J］. 航空学报， 2020， 41（4）： 123596. |
| LIU Z C， QIAN Z S， LENG Y， et al. Wind tunnel measurement techniques for sonic boom near-field pressure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（4）： 123596 （in Chinese）. | |
| 9 | 盛裴轩. 大气物理学［M］. 北京： 北京大学出版社， 2003. |
| SHENG P X. Atmospheric physics［M］. Beijing： Peking University Press， 2003 （in Chinese）. | |
| 10 | 车军辉， 赵平， 史茜， 等. 大气边界层研究进展［J］. 地球物理学报， 2021， 64（3）： 735-751. |
| CHE J H， ZHAO P， SHI Q， et al. Research progress in atmospheric boundary layer［J］. Chinese Journal of Geophysics， 2021， 64（3）： 735-751 （in Chinese）. | |
| 11 | HILTON D A， HUCKEL V， MAGLIERI D J. Sonic-boom measurements during bomber training operations in the Chicago area： NASA TN-3655 ［R］. Washington， D.C.： NASA， 1966. |
| 12 | BIRINGEN S， HOWARD J E， REICHERT R S. Simulation of sonic boom interaction with shear turbulence［J］. Mechanics Research Communications， 2005， 32（5）： 604-609. |
| 13 | PIERCE A D. Spikes on sonic-boom pressure waveforms［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 1968， 44（4）： 1052-1061. |
| 14 | CROW S C. Distortion of sonic Bangs by atmospheric turbulence［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1969， 37（3）： 529-563. |
| 15 | WHITHAM G B. The flow pattern of a supersonic projectile［J］. Communications on Pure and Applied Mathematics， 1952， 5（3）： 301-348. |
| 16 | WHITHAM G B. On the propagation of weak shock waves［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1956， 1（3）： 290-318. |
| 17 | CARLSON H W， MAGLIERI D J. Review of sonic boom generation theory and prediction methods［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 1971， 49（1A）： 72. |
| 18 | RANDALL D G. Sonic Bang intensities in a stratified， still atmosphere［J］. Journal of Sound and Vibration， 1968， 8（2）： 196-214. |
| 19 | THOMAS C L. Extrapolation of sonic boom pressure signatures by the waveform parameter method： NASA TN-D-6832 ［R］. Washington， D.C.： NASA， 1972. |
| 20 | ROBINSON L D. Sonic boom propagation through an inhomogeneous windy atmosphere［D］. Austin： The University of Texas at Austin， 1991. |
| 21 | CLEVELAND R O. Propagation of sonic booms through a real， stratified atmosphere［D］. Austin： The University of Texas at Austin， 1995. |
| 22 | CROW S C. Distortion of sonic Bangs by atmospheric turbulence［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1969， 37（3）： 529-563. |
| 23 | 王刚， 马博平， 雷知锦， 等. 典型标模音爆的数值预测与分析［J］. 航空学报， 2018， 39（1）： 121458. |
| WANG G， MA B P， LEI Z J， et al. Simulation and analysis for sonic boom on several benchmark cases［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（1）： 121458 （in Chinese）. | |
| 24 | 冷岩， 钱战森， 刘中臣. 超声速条件下旋成体声爆典型影响因素分析［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（4）： 655-662， 689. |
| LENG Y， QIAN Z S， LIU Z C. Analysis on typical parameters of bodies of revolution affecting the sonic boom［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（4）： 655-662， 689 （in Chinese）. | |
| 25 | 张绎典， 黄江涛， 高正红. 基于增广Burgers方程的音爆远场计算及应用［J］. 航空学报， 2018， 39（7）： 122039. |
| ZHANG Y D， HUANG J T， GAO Z H. Far field simulation and applications of sonic boom based on augmented Burgers equation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（7）： 122039 （in Chinese）. | |
| 26 | 乔建领， 韩忠华， 丁玉临， 等. 基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（4）： 663-674. |
| QIAO J L， HAN Z H， DING Y L， et al. Sonic boom prediction method for supersonic transports based on augmented Burgers equation［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（4）： 663-674 （in Chinese）. | |
| 27 | 王迪， 钱战森， 冷岩. 广义Burgers方程声爆传播模型高阶格式离散 ［J］. 航空学报， 2022， 43（1）： 124916. |
| WANG D， QIAN Z S， LENG Y. High-order scheme discretization of the sonic boom propagation model based on augmented Burgers equation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（1）： 124916 （in Chinese）. | |
| 28 | ZABOLOTSKAYA E A， KHOKHLOV R V. Quasi-plane waves in the nonlinear acoustics of confined beams［J］. Soviet Physics Acoustics， 1969， 15（2）： 35-40. |
| 29 | KUZNETSOV V P. Equations of nonlinear acoustics［J］. Soviet Physics Acoustics， 1970， 16（1）： 467-470. |
| 30 | PIACSEK A A. Atmospheric turbulence conditions leading to focused and folded sonic boom wave fronts［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 2002， 111（1 Pt 2）： 520-529. |
| 31 | LOCEY L L. Sonic boom postprocessing functions to simulate atmospheric turbulence effects［D］. State College： The Pennsylvania State University， 2008. |
| 32 | LUQUET D. 3D simulation of acoustical shock waves propagation through a turbulent atmosphere. Application to sonic boom［D］. Pairs： Sorbone Unicversity （UPMC）， 2016. |
| 33 | DAGRAU F， RéNIER M， MARCHIANO R， et al. Acoustic shock wave propagation in a heterogeneous medium： A numerical simulation beyond the parabolic approximation［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 2011， 130（1）： 20-32. |
| 34 | ROBINSON L. Sonic boom propagation through turbulence： A ray theory approach： N94-28192 ［R］. Washington， D.C.： NASA， 1993. |
| 35 | YAMASHITA H， OBAYASHI S. Sonic boom variability due to homogeneous atmospheric turbulence［J］. Journal of Aircraft， 2009， 46（6）： 1886-1893. |
| 36 | 冷岩， 钱战森， 杨龙. 均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响［J］. 航空学报， 2020， 41（2）： 123290. |
| LENG Y， QIAN Z S， YANG L. Homogeneous isotropic atmospheric turbulence effects on sonic boom propagation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（2）： 123290 （in Chinese）. | |
| 37 | LENG Y， QIAN Z S. Sonic boom signature analysis for a type of hypersonic long-range civil vehicle［C］∥21st AIAA International Space Planes and Hypersonics Technologies Conference. Reston： AIAA， 2017. |
| 38 | LIU Y， WANG L， QIAN Z S. Numerical investigation on the assistant restarting method of variable geometry for high Mach number inlet［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 79： 647-657. |
| 39 | LENG Y， QIAN Z S. A CFD based sonic boom prediction method and investigation on the parameters affecting the sonic boom signature［J］. Procedia Engineering， 2015， 99： 433-451. |
| 40 | LIOU M S. Mass flux schemes and connection to shock instability［J］. Journal of Computational Physics， 2000， 160（2）： 623-648. |
| 41 | HINZE J O. Turbulence［M］. 2nd ed. New York： McGraw-Hill， 1975： 175-320. |
| 42 | YAMAMOTO M， HASHIMOTO A， AOYAMA T， et al. A unified approach to an augmented Burgers equation for the propagation of sonic booms［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 2015， 137（4）： 1857-1866. |
| 43 | 韩阳， 冷岩， 杨龙， 等. 一类超声速长航程民用客机的气动设计和性能评估［J］. 航空科学技术， 2019， 30（9）： 25-32. |
| HAN Y， LENG Y， YANG L， et al. Aerodynamic design and evaluation of a type of supersonic long-range civil transport［J］. Aeronautical Science ＆ Technology， 2019， 30（9）： 25-32 （in Chinese）. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA