[发明专利]一种基于逆向传播与伴随方程的近场声爆信号反演方法

说明书

本发明涉及超声速低声爆飞行器气动优化设计领域，公开了一种基于逆向传播与伴随方程的近场声爆信号反演方法，包括步骤：S1、基于感知声压级设计的远场声爆信号，通过求解逆向增广Burgers方程得到对应近场声爆信号的大致波形；S2、以近场声爆信号的大致波形为初始值，其时间离散点对应的过压值为设计变量，基于声爆伴随方程求解目标远场声爆信号对设计变量的梯度信息，并更新设计变量；S3、对梯度信息使用序列二次规划(SQP)算法寻优，收敛条件为相邻迭代步的残差变化不超过10^‑5，得到目标近场波形。本发明能够为正向等效面积分布指导的超声速低声爆飞行器气动外形优化设计提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及超声速低声爆飞行器气动优化设计领域，尤其涉及一种基于逆向传播与伴随方程的近场声爆信号反演方法。

背景技术

声爆是超声速飞机飞行中特有的气动声学现象。飞行器在超声速飞行时，其近场产生复杂的激波-膨胀波波系，这些波系传递到地面，形成空间内N形的声压分布，这就是声爆现象，对生物体和建筑物产生巨大的损害。因此早期的超声速客机只能在海洋上空进行超声速飞行。20世纪中后期，以“协和”号和“图－144”为代表的第一代超声速客机，都因声爆过强，被许多国家禁止在境内飞行，严重影响了其商业运营，最终以失败告终。声爆评估与抑制是超声速民机发展必须解决的卡脖子问题。

对飞机气动外形的设计是声爆抑制的最有效途径。其中，通过等效面积分布指导气动外形优化，是开展低声爆气动优化设计的一项关键技术。等效面积分布是沿机身轴线的体积截面积分布与升力分布的叠加，直接决定了超声速飞行器的声爆特性，而飞行器等效面积分布特征较大程度由近场过压决定。但是，通过近场过压反设计抑制远场声爆，缺乏直接的远场感知声压级指导。

发明内容

本发明意在提供一种基于逆向传播与伴随方程的近场声爆信号反演方法，为正向等效面积分布指导的超声速低声爆飞行器气动外形优化设计提供技术支撑。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于逆向传播与伴随方程的近场声爆信号反演方法，包括步骤：

S1、基于感知声压级设计的远场声爆信号，通过求解逆向增广Burgers方程得到对应近场声爆信号的大致波形；

S2、以近场声爆信号的大致波形为初始值，其时间离散点对应的过压值为设计变量，基于声爆伴随方程求解目标远场声爆信号对设计变量的梯度信息，并更新设计变量；

S3、对梯度信息使用序列二次规划(SQP)算法寻优，收敛条件为相邻迭代步的残差变化不超过10^-5，得到目标近场波形。

进一步，步骤S2中，所述声爆伴随方程的推导过程为：

b、将增广Burgers方程改写为无量纲形式：

b、将增广Burgers方程进行算子分裂后写成矩阵形式：

Aⁿq_n＝k_nBⁿP_n-1 (3)

其中，式(3)至式(6)分别对应声爆信号传播的氧气分子弛豫效应、氮气分子弛豫效应、经典耗散和非线性扭曲这四个物理环节，k_n为式(2)右端第四项和第五项的乘积，p,q,r,t分别表示求解过程中的声压值；

c、根据步骤b所述矩阵形成，得到声爆伴随方程的矩阵形式：