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高超声速空气动力设计与评估方法

高超声速空气动力设计与评估方法

出版社:中国宇航出版社出版时间:2019-11-01
开本: 27cm 页数: 13,400页
本类榜单:工业技术销量榜
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高超声速空气动力设计与评估方法 版权信息

  • ISBN:9787515917245
  • 条形码:9787515917245 ; 978-7-5159-1724-5
  • 装帧:一般胶版纸
  • 册数:暂无
  • 重量:暂无
  • 所属分类:>

高超声速空气动力设计与评估方法 内容简介

本书以高超声速飞行器关键空气动力学问题为主线, 系统总结了高超声速飞行器气动设计与评估的相关基础理论、方法及工程应用实效, 全面介绍了高效高精度数值模拟方法与物理模型、CFD方法验证与确认、复杂气体物理效应、数据天地相关性、非定常动态与多体分离仿真等气动评估技术的*新成果。

高超声速空气动力设计与评估方法 目录

第1章 绪 论 ………………………………………………………………………………… 1


1.1 高超声速飞行器气动布局技术发展与面临的挑战 ………………………………… 1


1.1.1 高超声速飞行器概念 …………………………………………………………… 1


1.1.2 高超声速飞行器气动布局技术发展 …………………………………………… 2


1.1.3 高超声速飞行器设计面临的挑战 ……………………………………………… 8


1.2 新型高超声速飞行器的气动设计特点和流动特征 ………………………………… 9


1.2.1 新型高超声速飞行器的气动设计特点 ………………………………………… 9


1.2.2 高超声速飞行器的流动特征 …………………………………………………… 11


1.3 高超声速飞行器气动设计问题 ……………………………………………………… 13


1.3.1 高超声速飞行器气动布局设计 ………………………………………………… 13


1.3.2 高超声速飞行器气动性能评估与分析 ………………………………………… 14


1.4 高超声速飞行器气动设计支撑技术与本书内容 …………………………………… 18


参考文献 …………………………………………………………………………………… 21


第2章 数值方法 …………………………………………………………………………… 23


2.1 CFD技术在飞行器设计中的作用…………………………………………………… 23


2.2 控制方程与数值求解 ………………………………………………………………… 24


2.2.1 流动控制方程 …………………………………………………………………… 24


2.2.2 空间离散与通量计算 …………………………………………………………… 25


2.2.3 边界条件 ………………………………………………………………………… 27


2.2.4 时间推进 ………………………………………………………………………… 29


2.3 网格生成技术 ………………………………………………………………………… 31


2.3.1 网格生成技术概览 ……………………………………………………………… 31


2.3.2 粘性自适应笛卡儿网格生成技术 ……………………………………………… 31


2.4 湍流模型 ……………………………………………………………………………… 34


2.4.1 RANS湍流模型 ………………………………………………………………… 35


目 录


·Ⅷ ·


2.4.2 RANS/LES混合方法 ………………………………………………………… 38


2.5 转捩预测技术 ………………………………………………………………………… 40


2.5.1 代数转捩准则法 ………………………………………………………………… 40


2.5.2 γ Reθ 转捩模型 ……………………………………………………………… 43


2.6 大规模并行技术 ……………………………………………………………………… 44


2.6.1 分布式并行计算 ………………………………………………………………… 44


2.6.2 异构平台扩展 …………………………………………………………………… 45


2.7 高温真实气体效应模拟 ……………………………………………………………… 45


2.7.1 平衡气体模型 …………………………………………………………………… 46


2.7.2 热化学非平衡数值模拟 ………………………………………………………… 46


2.8 计算方法的新发展 …………………………………………………………………… 48


2.8.1 高阶间断伽辽金方法 …………………………………………………………… 49


2.8.2 非结构网格自适应技术 ………………………………………………………… 50


2.9 应用实例 ……………………………………………………………………………… 52


2.9.1 高超声速双锥分离流动 ………………………………………………………… 52


2.9.2 凤凰号火星探测器高超声速气动特性计算 …………………………………… 54


2.9.3 三维非对称双楔超声速流动 …………………………………………………… 57


参考文献 …………………………………………………………………………………… 59


第3章 高超声速流动快速高效数值方法 ………………………………………………… 64


3.1 PNS方程……………………………………………………………………………… 65


3.2 空间推进求解适定性 ………………………………………………………………… 66


3.3 数值求解方法 ………………………………………………………………………… 70


3.3.1 流向无粘通量离散方法 ………………………………………………………… 71


3.3.2 横向无粘通量离散方法 ………………………………………………………… 71


3.3.3 粘性通量离散方法 ……………………………………………………………… 75


3.3.4 流向积分方法 …………………………………………………………………… 76


3.4 PNS方程方法准确性及高效性验证………………………………………………… 78


3.4.1 超声速平板流动 ………………………………………………………………… 78


3.4.2 尖锥流动 ………………………………………………………………………… 82


3.4.3 类航天飞机绕流 ………………………………………………………………… 87


3.4.4 类 HTV 2飞行器流动 ……………………………………………………… 91


参考文献 …………………………………………………………………………………… 96


高超声速空气动力设计与评估方法


·Ⅸ ·


第4章 CFD程序验证与确认方法 ………………………………………………………… 97


4.1 基本概念 ……………………………………………………………………………… 97


4.2 验证方法 ……………………………………………………………………………… 99


4.2.1 代码验证 ……………………………………………………………………… 100


4.2.2 误差估计 ……………………………………………………………………… 105


4.3 模型确认 …………………………………………………………………………… 111


4.3.1 确认试验的设计与执行 ……………………………………………………… 112


4.3.2 确认活动组织 ………………………………………………………………… 113


4.3.3 确认尺度的构建 ……………………………………………………………… 116


4.4 验证与确认实例 …………………………………………………………………… 124


4.4.1 验证过程 ……………………………………………………………………… 124


4.4.2 确认过程 ……………………………………………………………………… 130


参考文献 …………………………………………………………………………………… 138


第5章 高超声速复杂气动效应与气动力数据天地相关性 ……………………………… 140


5.1 高超声速复杂气动效应 …………………………………………………………… 140


5.1.1 马赫数效应 …………………………………………………………………… 140


5.1.2 粘性干扰效应 ………………………………………………………………… 141


5.1.3 高温真实气体效应 …………………………………………………………… 144


5.1.4 稀薄气体效应 ………………………………………………………………… 145


5.1.5 流态差异效应 ………………………………………………………………… 147


5.2 气动力数据天地换算方法 ………………………………………………………… 147


5.2.1 气动力数据天地差异的关键影响因素 ……………………………………… 149


5.2.2 气动力数据天地相关性理论 ………………………………………………… 150


5.2.3 气动力数据天地换算方法 …………………………………………………… 156


5.3 气动力数据不确定度量化方法 …………………………………………………… 165


5.3.1 风洞试验气动力数据不确定度量化方法 …………………………………… 165


5.3.2 CFD气动力数据不确定度量化方法 ………………………………………… 170


5.3.3 高超声速飞行器CFD气动力数据不确定度量化实例 ……………………… 175


参考文献 …………………………………………………………………………………… 178


第6章 飞行器非定常与动态特性计算方法 ……………………………………………… 181


6.1 飞行器非定常与动态气动问题及数值模拟技术的发展趋势 …………………… 181


6.1.1 动稳定性参数 ………………………………………………………………… 181


目 录


·Ⅹ ·


6.1.2 旋转空气动力学效应 ………………………………………………………… 183


6.2动稳定性导数预测理论 ……………………………………………………………… 183


6.2.1 气动稳定性导数理论基础与非定常气动力模型 …………………………… 183


6.2.2 常用的动稳定性导数与坐标系定义 ………………………………………… 184


6.3 动稳定性导数的计算技术 ………………………………………………………… 185


6.3.1 基于当地活塞理论的气动导数摄动法 ……………………………………… 185


6.3.2 准定常旋转法 ………………………………………………………………… 188


6.3.3 基于非定常数值模拟的动导数预测方法 …………………………………… 188


6.3.4 时间谱方法 …………………………………………………………………… 193


6.4 动稳定性导数方法验证与分析 …………………………………………………… 197


6.4.1 Finner标模 …………………………………………………………………… 197


6.4.2 HBS标模 ……………………………………………………………………… 199


6.4.3 Genesis外形 …………………………………………………………………… 201


6.4.4 大升力体外形 ………………………………………………………………… 202


6.4.5 类X 37B外形 ……………………………………………………………… 207


6.5 旋转空气动力学效应的数值预测技术 …………………………………………… 209


参考文献 …………………………………………………………………………………… 212


第7章 高超声速飞行器多体分离数值模拟方法 ………………………………………… 215


7.1 概述 ………………………………………………………………………………… 215


7.2 多体分离数值预测方法 …………………………………………………………… 218


7.2.1 控制方程组 …………………………………………………………………… 218


7.2.2 网格技术 ……………………………………………………………………… 220


7.2.3 流体运动方程与刚体运动方程耦合求解 …………………………………… 228


7.2.4 时间/空间离散方法 …………………………………………………………… 229


7.2.5 几何守恒律 …………………………………………………………………… 232


7.2.6 并行算法 ……………………………………………………………………… 235


7.3 飞行器分离计算实例 ……………………………………………………………… 239


7.3.1 投放 (抛撒)分离 …………………………………………………………… 239


7.3.2 整流罩分离 …………………………………………………………………… 251


7.3.3 级间分离 ……………………………………………………………………… 254


参考文献 …………………………………………………………………………………… 256


高超声速空气动力设计与评估方法


·Ⅺ ·


第8章 高超声速飞行器气动布局优化方法 ……………………………………………… 258


8.1 设计方法简述 ……………………………………………………………………… 258


8.2 优化模型 …………………………………………………………………………… 259


8.3 气动外形参数化建模与网格生成方法 …………………………………………… 261


8.3.1 外形参数化建模 ……………………………………………………………… 261


8.3.2 网格自动生成 ………………………………………………………………… 263


8.4优化方法 ……………………………………………………………………………… 264


8.4.1 优化算法与灵敏度计算 ……………………………………………………… 264


8.4.2 基于近似模型的优化设计方法 ……………………………………………… 267


8.5 优化平台 …………………………………………………………………………… 270


8.5.1 需求与功能 …………………………………………………………………… 270


8.5.2 航天飞行器外形优化设计平台 ……………………………………………… 271


8.6 优化案例 …………………………………………………………………………… 276


8.6.1 返回舱外形多目标优化设计 ………………………………………………… 276


8.6.2 类 HTV 2高超声速飞行器外形气动力/热综合优化设计 ……………… 279


8.6.3 高超声速机动飞行器外形气动优化设计 …………………………………… 285



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高超声速空气动力设计与评估方法 节选

前 言 高超声速技术是当今世界大国追逐的战略制高点,由此推动了高超声速相关学科领域 的迅猛发展。在我国航天事业经历了60余载辉煌发展的历史时期,我国高超声速飞行器 发展也进入了全面自主创新的重要阶段,因此对高超声速空气动力设计与评估技术提出了 前所未有的高要求。 全世界在高超声速领域的研究呈现如火如荼的态势,高超声速空气动力学无疑是一个 高度关注的热点。随着马赫数的增大,某些流动物理现象变得越来越重要,这些现象主要 包括高马赫数产生高度非线性的流体动力学特性和高温物理化学特性,航天飞机“高超声 速异常”就属于此类问题。高超声速气动设计主要面临三个方面的挑战:一是准确把握上 述复杂流动物理现象及其对气动特性的影响;二是在严格约束与苛求目标下的气动布局设 计与优化;三是气动与其他学科在非线性流动及交叉耦合条件下的综合评估。 毋庸讳言,高超声速风洞试验能力还有一定的局限性。21世纪以来,在工程应用需 求驱动、计算技术日新月异的大背景下,高超声速数值模拟方法取得了长足的发展。这些 对高超声速气动预测、设计与评估起支撑作用的技术突破相对独立而零散,对其体系化的 梳理与挖掘就很有必要且具备很高的工程价值。为了系统总结、深化与推广航天气动人在 高超声速领域的研究成果,夯实高超声速飞行器创新设计气动先行的基础,特编写《高超 声速空气动力设计与评估方法》一书。全书阐述了高超声速飞行器气动设计与评估的基础 理论与方法,内容涉及高超声速CFD 方法及验证与确认、高空高马赫数复杂气体效应与 天地相关性方法、非定常动态与多体分离仿真评估技术、气动布局设计与多学科优化技 术,以及近些年备受关注的数值虚拟飞行仿真评估技术等,力图对当前高超声速飞行器气 动设计中的关键技术进行全面介绍与剖析,以飨读者。 针对前述高超声速气动设计的三方面挑战性问题,遵照气动预测、设计与评估的脉络 构思来完成全书策划和撰写。全书分为11章,由中国航天空气动力技术研究院相关研究 人员编写。第1章由周伟江、陈冰雁编写,主要介绍高超声速飞行器的基本特点及关键气 动问题;第2章由刘周、杨云军编写,主要介绍基本方程与数值技术、网格技术、并行技 术以及湍流、转捩、高温真实气体物理模型等;第3章由王利、周伟江编写,主要介绍适 应高超声速气动设计快速响应需求的PNS快速高效数值方法;第4章由王利、周伟江编 写,主要介绍CFD验证与确认方法;第5章由龚安龙、王利编写,主要介绍高超声速流 前 言 ·Ⅵ · 动复杂气动效应、气动力数据天地相关性以及气动力数据不确定度量化方法;第6章由杨 云军、刘周编写,主要介绍飞行器动稳定性导数多层次的计算方法;第7章由李盾、何跃 龙编写,主要介绍高超声速多体分离数值模拟方法;第8章由王荣、白鹏编写,主要介绍 高超声速飞行器气动布局优化设计方法;第9章由白鹏、陈冰雁编写,主要介绍乘波体布 局设计;第10章由豆国辉、纪楚群编写,主要介绍飞行器气动性能评估和可控性设计方 法;第11章由杨云军、刘周编写,主要介绍多学科耦合的数值虚拟飞行方法。 全书由杨云军、龚安龙、白鹏统稿,李锋为本书撰写序言,纪楚群、周伟江负责全书 审校工作。刘传振、谢立军、石磊、刘强、李静、徐国武、闫溟等同志在书稿整理过程中 给予了许多帮助。感谢相丽艳同志为本书出版策划提供的大力帮助,感谢安复兴研究员提 供的有益指导。特别感谢周伟江和纪楚群两位同志在本书出版策划和统筹方面的无私奉 献。衷心感谢航天科技图书出版基金和国家自然科学基金(11772317)的资助。 本书适合从事气动设计与评估的相关研究人员和工程技术人员,希冀本书能对其提供 一些有益的参考。进一步,如能启迪一些思路,抛砖引玉并推动相关工作的些许进步,则 善莫大焉。 限于作者水平和能力,错误和不当之处在所难免,敬请读者批评指正!

高超声速空气动力设计与评估方法 作者简介

杨云军,1975年出生于江苏海安,研究员,博士生导师。中国航天科技集团公司学术技术带头人,现任中国力学学会流体力学专业委员会委员,中国空气动力学会高超声速专业委员会秘书长。主要从事非定常空气动力学和飞行器动态特性研究工作。

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