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航空、航天

高超聲速空氣動力設計與評估方法

作者：楊云軍，龔安龍，白鵬

出版社：中國宇航出版社出版時間：2019-11-01

開本： 27cm 頁數(shù)： 13,400頁

本類榜單：工業(yè)技術銷量榜

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版權信息
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作者簡介

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(shù)：暫無
重量：暫無
所屬分類：
工業(yè)技術
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航空、航天

高超聲速空氣動力設計與評估方法內(nèi)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(tǒng)總結(jié)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(shù)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(shù)據(jù)天地相關性、非定常動態(tài)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(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布局技術發(fā)展 …………………………………………… 2

1.1.3 高超聲速飛行器設計面臨的挑戰(zhàn) ……………………………………………… 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(nèi)容 …………………………………… 18

參考文獻 …………………………………………………………………………………… 21

第2章數(shù)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(shù)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(wǎng)格生成技術 ………………………………………………………………………… 31

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

2.3.2 粘性自適應笛卡兒網(wǎng)格生成技術 ……………………………………………… 31

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

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

·Ⅷ ·

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

2.5 轉(zhuǎn)捩預測技術 ………………………………………………………………………… 40

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

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

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

2.6.1 分布式并行計算 ………………………………………………………………… 44

2.6.2 異構(gòu)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(shù)值模擬 ………………………………………………………… 46

2.8 計算方法的新發(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(shù)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(shù)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(zhí)行 ……………………………………………………… 112

4.3.2 確認活動組織 ………………………………………………………………… 113

4.3.3 確認尺度的構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)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(tài)差異效應 ………………………………………………………………… 147

5.2 氣動力數(shù)據(jù)天地換算方法 ………………………………………………………… 147

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

5.2.2 氣動力數(shù)據(jù)天地相關性理論 ………………………………………………… 150

5.2.3 氣動力數(shù)據(jù)天地換算方法 …………………………………………………… 156

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

5.3.1 風洞試驗氣動力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 …………………………………… 165

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

5.3.3 高超聲速飛行器CFD氣動力數(shù)據(jù)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(tài)特性計算方法 ……………………………………………… 181

6.1 飛行器非定常與動態(tài)氣動問題及數(shù)值模擬技術的發(fā)展趨勢 …………………… 181

6.1.1 動穩(wěn)定性參數(shù) ………………………………………………………………… 181

·Ⅹ ·

6.1.2 旋轉(zhuǎn)空氣動力學效應 ………………………………………………………… 183

6.2動穩(wěn)定性導數(shù)預測理論 ……………………………………………………………… 183

6.2.1 氣動穩(wěn)定性導數(shù)理論基礎與非定常氣動力模型 …………………………… 183

6.2.2 常用的動穩(wěn)定性導數(shù)與坐標系定義 ………………………………………… 184

6.3 動穩(wěn)定性導數(shù)的計算技術 ………………………………………………………… 185

6.3.1 基于當?shù)鼗钊碚摰臍鈩訉?shù)攝動法 ……………………………………… 185

6.3.2 準定常旋轉(zhuǎn)法 ………………………………………………………………… 188

6.3.3 基于非定常數(shù)值模擬的動導數(shù)預測方法 …………………………………… 188

6.3.4 時間譜方法 …………………………………………………………………… 193

6.4 動穩(wěn)定性導數(shù)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(zhuǎn)空氣動力學效應的數(shù)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(shù)值模擬方法 ………………………………………… 215

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

7.2 多體分離數(shù)值預測方法 …………………………………………………………… 218

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

7.2.2 網(wǎng)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(yōu)化方法 ……………………………………………… 258

8.1 設計方法簡述 ……………………………………………………………………… 258

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

8.3 氣動外形參數(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)格自動生成 ………………………………………………………………… 263

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

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

8.4.2 基于近似模型的優(yōu)化設計方法 ……………………………………………… 267

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

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

8.5.2 航天飛行器外形優(yōu)化設計平臺 ……………………………………………… 271

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

8.6.1 返回艙外形多目標優(yōu)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(yōu)化設計 ……………… 279

8.6.3 高超聲速機動飛行器外形氣動優(yōu)化設計 …………………………………… 285

展開全部

高超聲速空氣動力設計與評估方法節(jié)選

前言高超聲速技術是當今世界大國追逐的戰(zhàn)略制高點,由此推動了高超聲速相關學科領域的迅猛發(fā)展。在我國航天事業(yè)經(jīng)歷了60余載輝煌發(fā)展的歷史時期,我國高超聲速飛行器發(fā)展也進入了全面自主創(chuàng)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(xiàn)如火如荼的態(tài)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(shù)的增大,某些流動物理現(xiàn)象變得越來越重要,這些現(xiàn)象主要包括高馬赫數(shù)產(chǎn)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�！本蛯儆诖祟悊栴}。高超聲速氣動設計主要面臨三個方面的挑戰(zhàn):一是準確把握上述復雜流動物理現(xiàn)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(yōu)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(qū)動、計算技術日新月異的大背景下,高超聲速數(shù)值模擬方法取得了長足的發(fā)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(tǒng)總結(jié)、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(chuàng)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(nèi)容涉及高超聲速CFD 方法及驗證與確認、高空高馬赫數(shù)復雜氣體效應與天地相關性方法、非定常動態(tài)與多體分離仿真評估技術、氣動布局設計與多學科優(yōu)化技術,以及近些年備受關注的數(shù)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(zhàn)性問題,遵照氣動預測、設計與評估的脈絡構(gòu)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(shù)值技術、網(wǎng)格技術、并行技術以及湍流、轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)據(jù)天地相關性以及氣動力數(shù)據(jù)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(wěn)定性導數(shù)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(shù)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(yōu)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(shù)值虛擬飛行方法。全書由楊云軍、龔安龍、白鵬統(tǒng)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(tǒng)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!