高超声速空气动力设计与评估方法

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