高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

第1章 緒 論 ………………………………………………………………………………… 1

1.1 高超聲速飛行器氣動(dòng)布局技術(shù)發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn) ………………………………… 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(dòng)布局技術(shù)發(fā)展 …………………………………………… 2

1.1.3 高超聲速飛行器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) ……………………………………………… 8

1.2 新型高超聲速飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和流動(dòng)特征 ………………………………… 9

1.2.1 新型高超聲速飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn) ………………………………………… 9

1.2.2 高超聲速飛行器的流動(dòng)特征 …………………………………………………… 11

1.3 高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題 ……………………………………………………… 13

1.3.1 高超聲速飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì) ………………………………………………… 13

1.3.2 高超聲速飛行器氣動(dòng)性能評(píng)估與分析 ………………………………………… 14

1.4 高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)支撐技術(shù)與本書(shū)內(nèi)容 …………………………………… 18

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 21

第2章 數(shù)值方法 …………………………………………………………………………… 23

2.1 CFD技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的作用…………………………………………………… 23

2.2 控制方程與數(shù)值求解 ………………………………………………………………… 24

2.2.1 流動(dòng)控制方程 …………………………………………………………………… 24

2.2.2 空間離散與通量計(jì)算 …………………………………………………………… 25

2.2.3 邊界條件 ………………………………………………………………………… 27

2.2.4 時(shí)間推進(jìn) ………………………………………………………………………… 29

2.3 網(wǎng)格生成技術(shù) ………………………………………………………………………… 31

2.3.1 網(wǎng)格生成技術(shù)概覽 ……………………………………………………………… 31

2.3.2 粘性自適應(yīng)笛卡兒網(wǎng)格生成技術(shù) ……………………………………………… 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(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù) ………………………………………………………………………… 40

2.5.1 代數(shù)轉(zhuǎn)捩準(zhǔn)則法 ………………………………………………………………… 40

2.5.2 γ Reθ 轉(zhuǎn)捩模型 ……………………………………………………………… 43

2.6 大規(guī)模并行技術(shù) ……………………………………………………………………… 44

2.6.1 分布式并行計(jì)算 ………………………………………………………………… 44

2.6.2 異構(gòu)平臺(tái)擴(kuò)展 …………………………………………………………………… 45

2.7 高溫真實(shí)氣體效應(yīng)模擬 ……………………………………………………………… 45

2.7.1 平衡氣體模型 …………………………………………………………………… 46

2.7.2 熱化學(xué)非平衡數(shù)值模擬 ………………………………………………………… 46

2.8 計(jì)算方法的新發(fā)展 …………………………………………………………………… 48

2.8.1 高階間斷伽遼金方法 …………………………………………………………… 49

2.8.2 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù) ………………………………………………………… 50

2.9 應(yīng)用實(shí)例 ……………………………………………………………………………… 52

2.9.1 高超聲速雙錐分離流動(dòng) ………………………………………………………… 52

2.9.2 鳳凰號(hào)火星探測(cè)器高超聲速氣動(dòng)特性計(jì)算 …………………………………… 54

2.9.3 三維非對(duì)稱(chēng)雙楔超聲速流動(dòng) …………………………………………………… 57

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 59

第3章 高超聲速流動(dòng)快速高效數(shù)值方法 ………………………………………………… 64

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

3.2 空間推進(jìn)求解適定性 ………………………………………………………………… 66

3.3 數(shù)值求解方法 ………………………………………………………………………… 70

3.3.1 流向無(wú)粘通量離散方法 ………………………………………………………… 71

3.3.2 橫向無(wú)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(zhǔn)確性及高效性驗(yàn)證………………………………………………… 78

3.4.1 超聲速平板流動(dòng) ………………………………………………………………… 78

3.4.2 尖錐流動(dòng) ………………………………………………………………………… 82

3.4.3 類(lèi)航天飛機(jī)繞流 ………………………………………………………………… 87

3.4.4 類(lèi) HTV 2飛行器流動(dòng) ……………………………………………………… 91

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 96

高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

·Ⅸ ·

第4章 CFD程序驗(yàn)證與確認(rèn)方法 ………………………………………………………… 97

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

4.2 驗(yàn)證方法 ……………………………………………………………………………… 99

4.2.1 代碼驗(yàn)證 ……………………………………………………………………… 100

4.2.2 誤差估計(jì) ……………………………………………………………………… 105

4.3 模型確認(rèn) …………………………………………………………………………… 111

4.3.1 確認(rèn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與執(zhí)行 ……………………………………………………… 112

4.3.2 確認(rèn)活動(dòng)組織 ………………………………………………………………… 113

4.3.3 確認(rèn)尺度的構(gòu)建 ……………………………………………………………… 116

4.4 驗(yàn)證與確認(rèn)實(shí)例 …………………………………………………………………… 124

4.4.1 驗(yàn)證過(guò)程 ……………………………………………………………………… 124

4.4.2 確認(rèn)過(guò)程 ……………………………………………………………………… 130

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 138

第5章 高超聲速?gòu)?fù)雜氣動(dòng)效應(yīng)與氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地相關(guān)性 ……………………………… 140

5.1 高超聲速?gòu)?fù)雜氣動(dòng)效應(yīng) …………………………………………………………… 140

5.1.1 馬赫數(shù)效應(yīng) …………………………………………………………………… 140

5.1.2 粘性干擾效應(yīng) ………………………………………………………………… 141

5.1.3 高溫真實(shí)氣體效應(yīng) …………………………………………………………… 144

5.1.4 稀薄氣體效應(yīng) ………………………………………………………………… 145

5.1.5 流態(tài)差異效應(yīng) ………………………………………………………………… 147

5.2 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地?fù)Q算方法 ………………………………………………………… 147

5.2.1 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地差異的關(guān)鍵影響因素 ……………………………………… 149

5.2.2 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地相關(guān)性理論 ………………………………………………… 150

5.2.3 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地?fù)Q算方法 …………………………………………………… 156

5.3 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 …………………………………………………… 165

5.3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 …………………………………… 165

5.3.2 CFD氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 ………………………………………… 170

5.3.3 高超聲速飛行器CFD氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化實(shí)例 ……………………… 175

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 178

第6章 飛行器非定常與動(dòng)態(tài)特性計(jì)算方法 ……………………………………………… 181

6.1 飛行器非定常與動(dòng)態(tài)氣動(dòng)問(wèn)題及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) …………………… 181

6.1.1 動(dòng)穩(wěn)定性參數(shù) ………………………………………………………………… 181

目 錄

·Ⅹ ·

6.1.2 旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng) ………………………………………………………… 183

6.2動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)預(yù)測(cè)理論 ……………………………………………………………… 183

6.2.1 氣動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)理論基礎(chǔ)與非定常氣動(dòng)力模型 …………………………… 183

6.2.2 常用的動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)與坐標(biāo)系定義 ………………………………………… 184

6.3 動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的計(jì)算技術(shù) ………………………………………………………… 185

6.3.1 基于當(dāng)?shù)鼗钊碚摰臍鈩?dòng)導(dǎo)數(shù)攝動(dòng)法 ……………………………………… 185

6.3.2 準(zhǔn)定常旋轉(zhuǎn)法 ………………………………………………………………… 188

6.3.3 基于非定常數(shù)值模擬的動(dòng)導(dǎo)數(shù)預(yù)測(cè)方法 …………………………………… 188

6.3.4 時(shí)間譜方法 …………………………………………………………………… 193

6.4 動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)方法驗(yàn)證與分析 …………………………………………………… 197

6.4.1 Finner標(biāo)模 …………………………………………………………………… 197

6.4.2 HBS標(biāo)模 ……………………………………………………………………… 199

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

6.4.4 大升力體外形 ………………………………………………………………… 202

6.4.5 類(lèi)X 37B外形 ……………………………………………………………… 207

6.5 旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值預(yù)測(cè)技術(shù) …………………………………………… 209

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 212

第7章 高超聲速飛行器多體分離數(shù)值模擬方法 ………………………………………… 215

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

7.2 多體分離數(shù)值預(yù)測(cè)方法 …………………………………………………………… 218

7.2.1 控制方程組 …………………………………………………………………… 218

7.2.2 網(wǎng)格技術(shù) ……………………………………………………………………… 220

7.2.3 流體運(yùn)動(dòng)方程與剛體運(yùn)動(dòng)方程耦合求解 …………………………………… 228

7.2.4 時(shí)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(jì)算實(shí)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(jí)間分離 ……………………………………………………………………… 254

參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 256

高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

·Ⅺ ·

第8章 高超聲速飛行器氣動(dòng)布局優(yōu)化方法 ……………………………………………… 258

8.1 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述 ……………………………………………………………………… 258

8.2 優(yōu)化模型 …………………………………………………………………………… 259

8.3 氣動(dòng)外形參數(shù)化建模與網(wǎng)格生成方法 …………………………………………… 261

8.3.1 外形參數(shù)化建模 ……………………………………………………………… 261

8.3.2 網(wǎng)格自動(dòng)生成 ………………………………………………………………… 263

8.4優(yōu)化方法 ……………………………………………………………………………… 264

8.4.1 優(yōu)化算法與靈敏度計(jì)算 ……………………………………………………… 264

8.4.2 基于近似模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 ……………………………………………… 267

8.5 優(yōu)化平臺(tái) …………………………………………………………………………… 270

8.5.1 需求與功能 …………………………………………………………………… 270

8.5.2 航天飛行器外形優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái) ……………………………………………… 271

8.6 優(yōu)化案例 …………………………………………………………………………… 276

8.6.1 返回艙外形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì) ………………………………………………… 276

8.6.2 類(lèi) HTV 2高超聲速飛行器外形氣動(dòng)力/熱綜合優(yōu)化設(shè)計(jì) ……………… 279

8.6.3 高超聲速機(jī)動(dòng)飛行器外形氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) …………………………………… 285