Boom Supersonic:重新启动商用超音速飞机旅行
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作者:Boom Supersonic 气动推进工程师 Michael Rybalko 和 NUMECA USA 技术总监 Jean-Charles Bonaccorsi
Boom Supersonic 于 2014 年在科罗拉多州丹佛市成立,正在通过建造历史上最快的商业客机 Overture 重新定义飞行的意义。Overture 将以 2.2 马赫的速度和高达 60,000 英尺的巡航高度飞行。
史上最快的客机
来自日本航空公司和维珍集团的 30 架 Overture 客机已经预订和选择,下一代超音速飞机的设计竞赛已经开始。除了超音速飞行本身带来的挑战外,Boom's Overture 的设计者还需要考虑重要的环境和社会因素。联合国的 CORSIA 碳中和增长气候协议要求抵消所有国际航空排放,无论是亚音速还是超音速。为了支持这一点,Boom Supersonic 计划采用可持续替代燃料,这将减少大约 80% 的碳足迹,并且正在积极寻找将环保创新纳入 Overture 设计的方法,同时不会对其开发时间表造成技术风险。其中一项创新是与 Prometheus Fuels 的合作伙伴关系,一家使用清洁能源从大气中已经存在的二氧化碳中制造零净碳燃料的公司。减轻社区对音爆噪音的暴露是另一个优先事项。他们将通过将超音速速度仅限制在跨洋飞行段并实施最新的降噪技术来确保在起飞和着陆期间不会增加现有噪声等量线来实现这一目标。
应对挑战
由于超音速设计的复杂性,Boom Supersonic 工程师需要能够测试多种条件并尝试许多不同的设计理念。他们的工作时间也非常短,这意味着他们需要一个可以快速设置甚至更快获得结果的解决方案。Boom Supersonic 首席推进工程师蒂姆·康纳斯 (Tim Conners) 表示,在与 NUMECA 合作的试点项目中,Boom 设法以比之前的设计环境快 14 倍的速度取得成果。NUMECA 解决方案不仅通过提供显着简化和高度自动化的工作流程推进了 XB-1 子尺度演示器的开发,而且与 NUMECA 的合作伙伴关系还为 Boom 提供了显着节省计算资源和缩短设计周期时间的机会。
Boom 设法以比之前的设计环境快 14 倍的速度取得结果。
NUMECA 合作伙伴关系为 Boom 提供了显着节省计算资源和缩短设计周期时间的机会。
Tim Conners,Boom Supersonic 首席推进工程师
为这项任务选择了非结构化六边形网格划分工具 OMNIS/Hexpress 和非结构化流动求解器 OMNIS/Open-DBS with OpenLabs 。除了减少计算资源外,Boom 还能够在大部分运行中利用 NUMECA 独特的收敛加速技术 CPUBooster。
优化项目
在过去的一年里,一些设计研究将 NUMECA 解决方案用于 XB-1 和 Overture,包括:
入口排放室流出文丘里管尺寸和二次流路性能验证。这些小案例最初在笔记本电脑上运行,后来作为工作流程的一些初步测试转移到 Rescale 云计算平台
用于求解器验证的独立喷射器喷嘴模拟,与之前的内部方法相比,巡航时喷嘴总推力系数的百分比差异为 0.1%。在 Rescale 的 360 个内核上运行了多达 1 亿个单元的网格模拟
冷却门尺寸研究。24 个案例的 1 亿个单元的结果用于表征喷射器喷嘴的流动泵送特性,并帮助匹配入口和喷嘴的流动时间表
Overture 机翼/机身和机翼/机身/机舱模拟。为全跨度模型生成了 200-2.5 亿个单元格的网格,并在巡航条件下进行了模拟,以将粘性结果与保真度较低的初步设计工具和非粘性模拟进行比较
跨越飞行包线的喷射器喷嘴分析(在旁边开发)
喷射器喷嘴分析
该分析是 XB-1 演示器开发的一部分。目的是对跨越飞行包线的喷射器喷嘴进行分析。
啮合
为了减少工程时间并简化网格划分过程,集成从 CAD 级别开始,通过命名几何体的每个零件/表面。然后将 CAD 文件传输到 OMNIS/Hexpress,后者根据每个零件/表面的名称应用特定的网格细化。命名是在 CAD 系统中自动执行的,因此每次新的迭代都不需要对输入的几何形状进行额外的调整,从而节省了大量的工程时间。
网格的特定部分可以很容易地交换并连接到几何体的其余部分,自动和批处理模式。可变发动机喷嘴针对每种情况设置为适当的区域,从而产生 24 种不同的几何形状。
单个 ASCII 输入文件用于为每个配置生成高质量网格,确保网格一致性并再次减少工程时间。OMNIS/Hexpress 自动捕获修改后几何体的细节并修复更改设计时可能出现的微小间隙。
具有平滑过渡的粘性层插入的最新发展用于近壁区域,粘性子层中第一个单元的壁距离指定用于低雷诺数湍流模型。
网格划分过程与单个内部工作站并行完成,在一个周末的过程中生成了 24 个网格,每个网格包含 1.5 亿个单元。
模拟
在从 5,000 英尺的 M0.02 到 40,000 英尺的 M2.2 的整个任务范围内模拟了喷嘴。所有案例均在最大干推力和全加力条件下进行模拟。分析了 24 种几何形状中每一种的五个操作点,从而产生了 120 次 3D RANS 模拟。
每个作业使用 360 个核心对 1.5 亿个细胞网格进行分析,大部分在一周半内完成(每个作业 3-4 小时)。使用 CPUBoosterTM、多网格加速和 OpenLabs 以提高收敛性并减少 CPU 时间。
结果
这些模拟的结果提供了适用于各种多学科设计方面的关键信息,从性能到结构和硬件组件,允许对关键元素进行评估和优化,例如:
喷射器喷嘴的流动泵送特性
发动机循环和飞机性能模型中使用的喷嘴总推力系数
用于喷嘴附件硬件设计的喷嘴轴向载荷
用于材料选择和结构设计验证的温度范围和压力增量
据 Boom 的工程师称,这一具体分析提供了迄今为止使用 NUMECA 工具生成的最具影响力的结果,并强调了这些 NUMECA 工具在稳定的工作流程中的工作能力。