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高超聲速空氣動力設計與評估方法 版權信息
- ISBN：9787515917245
- 條形碼：9787515917245 ; 978-7-5159-1724-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高超聲速空氣動力設計與評估方法 內容簡介
本書以高超聲速飛行器關鍵空氣動力學問題為主線, 系統總結了高超聲速飛行器氣動設計與評估的相關基礎理論、方法及工程應用實效, 全面介紹了高效高精度數值模擬方法與物理模型、CFD方法驗證與確認、復雜氣體物理效應、數據天地相關性、非定常動態與多體分離仿真等氣動評估技術的*新成果。
高超聲速空氣動力設計與評估方法 目錄
第1章 緒 論 ………………………………………………………………………………… 1
1.1 高超聲速飛行器氣動布局技術發展與面臨的挑戰 ………………………………… 1
1.1.1 高超聲速飛行器概念 …………………………………………………………… 1
1.1.2 高超聲速飛行器氣動布局技術發展 …………………………………………… 2
1.1.3 高超聲速飛行器設計面臨的挑戰 ……………………………………………… 8
1.2 新型高超聲速飛行器的氣動設計特點和流動特征 ………………………………… 9
1.2.1 新型高超聲速飛行器的氣動設計特點 ………………………………………… 9
1.2.2 高超聲速飛行器的流動特征 …………………………………………………… 11
1.3 高超聲速飛行器氣動設計問題 ……………………………………………………… 13
1.3.1 高超聲速飛行器氣動布局設計 ………………………………………………… 13
1.3.2 高超聲速飛行器氣動性能評估與分析 ………………………………………… 14
1.4 高超聲速飛行器氣動設計支撐技術與本書內容 …………………………………… 18
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 21
第2章 數值方法 …………………………………………………………………………… 23
2.1 CFD技術在飛行器設計中的作用…………………………………………………… 23
2.2 控制方程與數值求解 ………………………………………………………………… 24
2.2.1 流動控制方程 …………………………………………………………………… 24
2.2.2 空間離散與通量計算 …………………………………………………………… 25
2.2.3 邊界條件 ………………………………………………………………………… 27
2.2.4 時間推進 ………………………………………………………………………… 29
2.3 網格生成技術 ………………………………………………………………………… 31
2.3.1 網格生成技術概覽 ……………………………………………………………… 31
2.3.2 粘性自適應笛卡兒網格生成技術 ……………………………………………… 31
2.4 湍流模型 ……………………………………………………………………………… 34
2.4.1 RANS湍流模型 ………………………………………………………………… 35
目 錄
·Ⅷ ·
2.4.2 RANS/LES混合方法 ………………………………………………………… 38
2.5 轉捩預測技術 ………………………………………………………………………… 40
2.5.1 代數轉捩準則法 ………………………………………………………………… 40
2.5.2 γ Reθ 轉捩模型 ……………………………………………………………… 43
2.6 大規模并行技術 ……………………………………………………………………… 44
2.6.1 分布式并行計算 ………………………………………………………………… 44
2.6.2 異構平臺擴展 …………………………………………………………………… 45
2.7 高溫真實氣體效應模擬 ……………………………………………………………… 45
2.7.1 平衡氣體模型 …………………………………………………………………… 46
2.7.2 熱化學非平衡數值模擬 ………………………………………………………… 46
2.8 計算方法的新發展 …………………………………………………………………… 48
2.8.1 高階間斷伽遼金方法 …………………………………………………………… 49
2.8.2 非結構網格自適應技術 ………………………………………………………… 50
2.9 應用實例 ……………………………………………………………………………… 52
2.9.1 高超聲速雙錐分離流動 ………………………………………………………… 52
2.9.2 鳳凰號火星探測器高超聲速氣動特性計算 …………………………………… 54
2.9.3 三維非對稱雙楔超聲速流動 …………………………………………………… 57
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 59
第3章 高超聲速流動快速高效數值方法 ………………………………………………… 64
3.1 PNS方程……………………………………………………………………………… 65
3.2 空間推進求解適定性 ………………………………………………………………… 66
3.3 數值求解方法 ………………………………………………………………………… 70
3.3.1 流向無粘通量離散方法 ………………………………………………………… 71
3.3.2 橫向無粘通量離散方法 ………………………………………………………… 71
3.3.3 粘性通量離散方法 ……………………………………………………………… 75
3.3.4 流向積分方法 …………………………………………………………………… 76
3.4 PNS方程方法準確性及高效性驗證………………………………………………… 78
3.4.1 超聲速平板流動 ………………………………………………………………… 78
3.4.2 尖錐流動 ………………………………………………………………………… 82
3.4.3 類航天飛機繞流 ………………………………………………………………… 87
3.4.4 類 HTV 2飛行器流動 ……………………………………………………… 91
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 96
高超聲速空氣動力設計與評估方法
·Ⅸ ·
第4章 CFD程序驗證與確認方法 ………………………………………………………… 97
4.1 基本概念 ……………………………………………………………………………… 97
4.2 驗證方法 ……………………………………………………………………………… 99
4.2.1 代碼驗證 ……………………………………………………………………… 100
4.2.2 誤差估計 ……………………………………………………………………… 105
4.3 模型確認 …………………………………………………………………………… 111
4.3.1 確認試驗的設計與執行 ……………………………………………………… 112
4.3.2 確認活動組織 ………………………………………………………………… 113
4.3.3 確認尺度的構建 ……………………………………………………………… 116
4.4 驗證與確認實例 …………………………………………………………………… 124
4.4.1 驗證過程 ……………………………………………………………………… 124
4.4.2 確認過程 ……………………………………………………………………… 130
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 138
第5章 高超聲速復雜氣動效應與氣動力數據天地相關性 ……………………………… 140
5.1 高超聲速復雜氣動效應 …………………………………………………………… 140
5.1.1 馬赫數效應 …………………………………………………………………… 140
5.1.2 粘性干擾效應 ………………………………………………………………… 141
5.1.3 高溫真實氣體效應 …………………………………………………………… 144
5.1.4 稀薄氣體效應 ………………………………………………………………… 145
5.1.5 流態差異效應 ………………………………………………………………… 147
5.2 氣動力數據天地換算方法 ………………………………………………………… 147
5.2.1 氣動力數據天地差異的關鍵影響因素 ……………………………………… 149
5.2.2 氣動力數據天地相關性理論 ………………………………………………… 150
5.2.3 氣動力數據天地換算方法 …………………………………………………… 156
5.3 氣動力數據不確定度量化方法 …………………………………………………… 165
5.3.1 風洞試驗氣動力數據不確定度量化方法 …………………………………… 165
5.3.2 CFD氣動力數據不確定度量化方法 ………………………………………… 170
5.3.3 高超聲速飛行器CFD氣動力數據不確定度量化實例 ……………………… 175
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 178
第6章 飛行器非定常與動態特性計算方法 ……………………………………………… 181
6.1 飛行器非定常與動態氣動問題及數值模擬技術的發展趨勢 …………………… 181
6.1.1 動穩定性參數 ………………………………………………………………… 181
目 錄
·Ⅹ ·
6.1.2 旋轉空氣動力學效應 ………………………………………………………… 183
6.2動穩定性導數預測理論 ……………………………………………………………… 183
6.2.1 氣動穩定性導數理論基礎與非定常氣動力模型 …………………………… 183
6.2.2 常用的動穩定性導數與坐標系定義 ………………………………………… 184
6.3 動穩定性導數的計算技術 ………………………………………………………… 185
6.3.1 基于當地活塞理論的氣動導數攝動法 ……………………………………… 185
6.3.2 準定常旋轉法 ………………………………………………………………… 188
6.3.3 基于非定常數值模擬的動導數預測方法 …………………………………… 188
6.3.4 時間譜方法 …………………………………………………………………… 193
6.4 動穩定性導數方法驗證與分析 …………………………………………………… 197
6.4.1 Finner標模 …………………………………………………………………… 197
6.4.2 HBS標模 ……………………………………………………………………… 199
6.4.3 Genesis外形 …………………………………………………………………… 201
6.4.4 大升力體外形 ………………………………………………………………… 202
6.4.5 類X 37B外形 ……………………………………………………………… 207
6.5 旋轉空氣動力學效應的數值預測技術 …………………………………………… 209
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 212
第7章 高超聲速飛行器多體分離數值模擬方法 ………………………………………… 215
7.1 概述 ………………………………………………………………………………… 215
7.2 多體分離數值預測方法 …………………………………………………………… 218
7.2.1 控制方程組 …………………………………………………………………… 218
7.2.2 網格技術 ……………………………………………………………………… 220
7.2.3 流體運動方程與剛體運動方程耦合求解 …………………………………… 228
7.2.4 時間/空間離散方法 …………………………………………………………… 229
7.2.5 幾何守恒律 …………………………………………………………………… 232
7.2.6 并行算法 ……………………………………………………………………… 235
7.3 飛行器分離計算實例 ……………………………………………………………… 239
7.3.1 投放 (拋撒)分離 …………………………………………………………… 239
7.3.2 整流罩分離 …………………………………………………………………… 251
7.3.3 級間分離 ……………………………………………………………………… 254
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 256
高超聲速空氣動力設計與評估方法
·Ⅺ ·
第8章 高超聲速飛行器氣動布局優化方法 ……………………………………………… 258
8.1 設計方法簡述 ……………………………………………………………………… 258
8.2 優化模型 …………………………………………………………………………… 259
8.3 氣動外形參數化建模與網格生成方法 …………………………………………… 261
8.3.1 外形參數化建模 ……………………………………………………………… 261
8.3.2 網格自動生成 ………………………………………………………………… 263
8.4優化方法 ……………………………………………………………………………… 264
8.4.1 優化算法與靈敏度計算 ……………………………………………………… 264
8.4.2 基于近似模型的優化設計方法 ……………………………………………… 267
8.5 優化平臺 …………………………………………………………………………… 270
8.5.1 需求與功能 …………………………………………………………………… 270
8.5.2 航天飛行器外形優化設計平臺 ……………………………………………… 271
8.6 優化案例 …………………………………………………………………………… 276
8.6.1 返回艙外形多目標優化設計 ………………………………………………… 276
8.6.2 類 HTV 2高超聲速飛行器外形氣動力/熱綜合優化設計 ……………… 279
8.6.3 高超聲速機動飛行器外形氣動優化設計 …………………………………… 285
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高超聲速空氣動力設計與評估方法 節選
前 言 高超聲速技術是當今世界大國追逐的戰略制高點,由此推動了高超聲速相關學科領域 的迅猛發展。在我國航天事業經歷了60余載輝煌發展的歷史時期,我國高超聲速飛行器 發展也進入了全面自主創新的重要階段,因此對高超聲速空氣動力設計與評估技術提出了 前所未有的高要求。 全世界在高超聲速領域的研究呈現如火如荼的態勢,高超聲速空氣動力學無疑是一個 高度關注的熱點。隨著馬赫數的增大,某些流動物理現象變得越來越重要,這些現象主要 包括高馬赫數產生高度非線性的流體動力學特性和高溫物理化學特性,航天飛機“高超聲 速異常”就屬于此類問題。高超聲速氣動設計主要面臨三個方面的挑戰:一是準確把握上 述復雜流動物理現象及其對氣動特性的影響;二是在嚴格約束與苛求目標下的氣動布局設 計與優化;三是氣動與其他學科在非線性流動及交叉耦合條件下的綜合評估。 毋庸諱言,高超聲速風洞試驗能力還有一定的局限性。21世紀以來,在工程應用需 求驅動、計算技術日新月異的大背景下,高超聲速數值模擬方法取得了長足的發展。這些 對高超聲速氣動預測、設計與評估起支撐作用的技術突破相對獨立而零散,對其體系化的 梳理與挖掘就很有必要且具備很高的工程價值。為了系統總結、深化與推廣航天氣動人在 高超聲速領域的研究成果,夯實高超聲速飛行器創新設計氣動先行的基礎,特編寫《高超 聲速空氣動力設計與評估方法》一書。全書闡述了高超聲速飛行器氣動設計與評估的基礎 理論與方法,內容涉及高超聲速CFD 方法及驗證與確認、高空高馬赫數復雜氣體效應與 天地相關性方法、非定常動態與多體分離仿真評估技術、氣動布局設計與多學科優化技 術,以及近些年備受關注的數值虛擬飛行仿真評估技術等,力圖對當前高超聲速飛行器氣 動設計中的關鍵技術進行全面介紹與剖析,以饗讀者。 針對前述高超聲速氣動設計的三方面挑戰性問題,遵照氣動預測、設計與評估的脈絡 構思來完成全書策劃和撰寫。全書分為11章,由中國航天空氣動力技術研究院相關研究 人員編寫。第1章由周偉江、陳冰雁編寫,主要介紹高超聲速飛行器的基本特點及關鍵氣 動問題;第2章由劉周、楊云軍編寫,主要介紹基本方程與數值技術、網格技術、并行技 術以及湍流、轉捩、高溫真實氣體物理模型等;第3章由王利、周偉江編寫,主要介紹適 應高超聲速氣動設計快速響應需求的PNS快速高效數值方法;第4章由王利、周偉江編 寫,主要介紹CFD驗證與確認方法;第5章由龔安龍、王利編寫,主要介紹高超聲速流 前 言 ·Ⅵ · 動復雜氣動效應、氣動力數據天地相關性以及氣動力數據不確定度量化方法;第6章由楊 云軍、劉周編寫,主要介紹飛行器動穩定性導數多層次的計算方法;第7章由李盾、何躍 龍編寫,主要介紹高超聲速多體分離數值模擬方法;第8章由王榮、白鵬編寫,主要介紹 高超聲速飛行器氣動布局優化設計方法;第9章由白鵬、陳冰雁編寫,主要介紹乘波體布 局設計;第10章由豆國輝、紀楚群編寫,主要介紹飛行器氣動性能評估和可控性設計方 法;第11章由楊云軍、劉周編寫,主要介紹多學科耦合的數值虛擬飛行方法。 全書由楊云軍、龔安龍、白鵬統稿,李鋒為本書撰寫序言,紀楚群、周偉江負責全書 審校工作。劉傳振、謝立軍、石磊、劉強、李靜、徐國武、閆溟等同志在書稿整理過程中 給予了許多幫助。感謝相麗艷同志為本書出版策劃提供的大力幫助,感謝安復興研究員提 供的有益指導。特別感謝周偉江和紀楚群兩位同志在本書出版策劃和統籌方面的無私奉 獻。衷心感謝航天科技圖書出版基金和國家自然科學基金(11772317)的資助。 本書適合從事氣動設計與評估的相關研究人員和工程技術人員,希冀本書能對其提供 一些有益的參考。進一步,如能啟迪一些思路,拋磚引玉并推動相關工作的些許進步,則 善莫大焉。 限于作者水平和能力,錯誤和不當之處在所難免,敬請讀者批評指正!
高超聲速空氣動力設計與評估方法 作者簡介
楊云軍，1975年出生于江蘇海安，研究員，博士生導師。中國航天科技集團公司學術技術帶頭人，現任中國力學學會流體力學專業委員會委員，中國空氣動力學會高超聲速專業委員會秘書長。主要從事非定常空氣動力學和飛行器動態特性研究工作。
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