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作者：Boom Supersonic 氣動推進工程師 Michael Rybalko 和 NUMECA USA 技術總監 Jean-Charles Bonaccorsi

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Boom Supersonic 于 2014 年在科羅拉多州丹佛市成立，正在通過建造歷史上最快的商業客機 Overture 重新定義飛行的意義。Overture 將以 2.2 馬赫的速度和高達 60,000 英尺的巡航高度飛行。

史上最快的客機

來自日本航空公司和維珍集團的 30 架 Overture 客機已經預訂和選擇，下一代超音速飛機的設計競賽已經開始。除了超音速飛行本身帶來的挑戰外，Boom's Overture 的設計者還需要考慮重要的環境和社會因素。聯合國的 CORSIA 碳中和增長氣候協議要求抵消所有國際航空排放，無論是亞音速還是超音速。為了支持這一點，Boom Supersonic 計劃采用可持續替代燃料，這將減少大約 80% 的碳足跡，并且正在積極尋找將環保創新納入 Overture 設計的方法，同時不會對其開發時間表造成技術風險。其中一項創新是與 Prometheus Fuels 的合作伙伴關系，一家使用清潔能源從大氣中已經存在的二氧化碳中制造零凈碳燃料的公司。減輕社區對音爆噪音的暴露是另一個優先事項。他們將通過將超音速速度僅限制在跨洋飛行段并實施最新的降噪技術來確保在起飛和著陸期間不會增加現有噪聲等量線來實現這一目標。

應對挑戰

由于超音速設計的復雜性，Boom Supersonic 工程師需要能夠測試多種條件并嘗試許多不同的設計理念。他們的工作時間也非常短，這意味著他們需要一個可以快速設置甚至更快獲得結果的解決方案。Boom Supersonic 首席推進工程師蒂姆·康納斯 (Tim Conners) 表示，在與 NUMECA 合作的試點項目中，Boom 設法以比之前的設計環境快 14 倍的速度取得成果。NUMECA 解決方案不僅通過提供顯著簡化和高度自動化的工作流程推進了 XB-1 子尺度演示器的開發，而且與 NUMECA 的合作伙伴關系還為 Boom 提供了顯著節省計算資源和縮短設計周期時間的機會。

Boom 設法以比之前的設計環境快 14 倍的速度取得結果。

NUMECA 合作伙伴關系為 Boom 提供了顯著節省計算資源和縮短設計周期時間的機會。

Tim Conners，Boom Supersonic 首席推進工程師

 為這項任務選擇了非結構化六邊形網格劃分工具 OMNIS/Hexpress 和非結構化流動求解器 OMNIS/Open-DBS with OpenLabs 。除了減少計算資源外，Boom 還能夠在大部分運行中利用 NUMECA 獨特的收斂加速技術 CPUBooster。

優化項目

在過去的一年里，一些設計研究將 NUMECA 解決方案用于 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驗證。這些小案例最初在筆記本電腦上運行，后來作為工作流程的一些初步測試轉移到 Rescale 云計算平臺

• 用于求解器驗證的獨立噴射器噴嘴模擬，與之前的內部方法相比，巡航時噴嘴總推力系數的百分比差異為 0.1%。在 Rescale 的 360 個內核上運行了多達 1 億個單元的網格模擬

• 冷卻門尺寸研究。24 個案例的 1 億個單元的結果用于表征噴射器噴嘴的流動泵送特性，并幫助匹配入口和噴嘴的流動時間表

• Overture 機翼/機身和機翼/機身/機艙模擬。為全跨度模型生成了 200-2.5 億個單元格的網格，并在巡航條件下進行了模擬，以將粘性結果與保真度較低的初步設計工具和非粘性模擬進行比較

• 跨越飛行包線的噴射器噴嘴分析（在旁邊開發）

噴射器噴嘴分析

該分析是 XB-1 演示器開發的一部分。目的是對跨越飛行包線的噴射器噴嘴進行分析。

嚙合

為了減少工程時間并簡化網格劃分過程，集成從 CAD 級別開始，通過命名幾何體的每個零件/表面。然后將 CAD 文件傳輸到 OMNIS/Hexpress，后者根據每個零件/表面的名稱應用特定的網格細化。命名是在 CAD 系統中自動執行的，因此每次新的迭代都不需要對輸入的幾何形狀進行額外的調整，從而節省了大量的工程時間。

網格的特定部分可以很容易地交換并連接到幾何體的其余部分，自動和批處理模式。可變發動機噴嘴針對每種情況設置為適當的區域，從而產生 24 種不同的幾何形狀。

單個 ASCII 輸入文件用于為每個配置生成高質量網格，確保網格一致性并再次減少工程時間。OMNIS/Hexpress 自動捕獲修改后幾何體的細節并修復更改設計時可能出現的微小間隙。

具有平滑過渡的粘性層插入的最新發展用于近壁區域，粘性子層中第一個單元的壁距離指定用于低雷諾數湍流模型。

網格劃分過程與單個內部工作站并行完成，在一個周末的過程中生成了 24 個網格，每個網格包含 1.5 億個單元。

模擬

在從 5,000 英尺的 M0.02 到 40,000 英尺的 M2.2 的整個任務范圍內模擬了噴嘴。所有案例均在最大干推力和全加力條件下進行模擬。分析了 24 種幾何形狀中每一種的五個操作點，從而產生了 120 次 3D RANS 模擬。

每個作業使用 360 個核心對 1.5 億個細胞網格進行分析，大部分在一周半內完成（每個作業 3-4 小時）。使用 CPUBoosterTM、多網格加速和 OpenLabs 以提高收斂性并減少 CPU 時間。

結果

這些模擬的結果提供了適用于各種多學科設計方面的關鍵信息，從性能到結構和硬件組件，允許對關鍵元素進行評估和優化，例如：

• 噴射器噴嘴的流動泵送特性

• 發動機循環和飛機性能模型中使用的噴嘴總推力系數

• 用于噴嘴附件硬件設計的噴嘴軸向載荷

• 用于材料選擇和結構設計驗證的溫度范圍和壓力增量

據 Boom 的工程師稱，這一具體分析提供了迄今為止使用 NUMECA 工具生成的最具影響力的結果，并強調了這些 NUMECA 工具在穩定的工作流程中的工作能力。