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中国航天技术进展丛书 高超声速空气动力设计与评估方法 
定 价：98 元
9 7 9 8 1 7 7 5 2 1 4 5 5  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成果。 总 序 中国航天事业创建60年来,走出了一条具有中国特色的发展之路,实现了空间技术、 空间应用和空间科学三大领域的快速发展,取得了“两弹一星”、载人航天、月球探测、 北斗导航、高分辨率对地观测等辉煌成就。航天科技工业作为我国科技创新的代表,是我 国综合实力特别是高科技发展实力的集中体现,在我国经济建设和社会发展中发挥着重要 作用。 作为我国航天科技工业发展的主导力量,中国航天科技集团公司不仅在航天工程研制 方面取得了辉煌成就,也在航天技术研究方面取得了巨大进展,对推进我国由航天大国向 航天强国迈进起到了积极作用。在中国航天事业创建60周年之际,为了全面展示航天技 术研究成果,系统梳理航天技术发展脉络,迎接新形势下在理论、技术和工程方面的严峻 挑战,中国航天科技集团公司组织技术专家,编写了《中国航天技术进展丛书》。 这套丛书是完整概括中国航天技术进展、具有自主知识产权的精品书系,全面覆盖中 国航天科技工业体系所涉及的主体专业,包括总体技术、推进技术、导航制导与控制技 术、计算机技术、电子与通信技术、遥感技术、材料与制造技术、环境工程、测试技术、 空气动力学、航天医学以及其他航天技术。丛书具有以下作用:总结航天技术成果,形成 具有系统性、创新性、前瞻性的航天技术文献体系;优化航天技术架构,强化航天学科融 合,促进航天学术交流;引领航天技术发展,为航天型号工程提供技术支撑。 雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。“十三五”期间,中国航天事业迎来了更多的发 展机遇。这套切合航天工程需求、覆盖关键技术领域的丛书,是中国航天人对航天技术发 展脉络的总结提炼,对学科前沿发展趋势的探索思考,体现了中国航天人不忘初心、不断 前行的执着追求。期望广大航天科技人员积极参与丛书编写、切实推进丛书应用,使之在 中国航天事业发展中发挥应有的作用。 2016年12月 · · · · 序 人类对自由飞行有着无限的向往与憧憬, “更高、更快、更灵动” 一直是人类飞行不 懈追求的永恒主题。中国先贤发明了风筝和孔明灯, 寄托了对升空飞行的梦想与祈盼。 1903年莱特兄弟驾驶“飞行者一号” 腾空而跃,奏响了人类翱翔天空的精彩华章。1947 年贝尔X-1飞机突破“声障”,人类进入超声速飞行的时代。1949年“WAC下士”飞行 马赫数达到惊人的6.5,实现了人类历史的第一次高超声速飞行。早在1946年,我国航天 事业奠基人、空气动力学家钱学森先生就预见性地提出了“Hypersonic”。 高超声速技术是21世纪对航空航天技术发展具有前瞻性、颠覆性和牵引性作用的战 略制高点。高超声速飞行器具有快速到达、全球打击、强突防等显著的军事优势,具备改 变“战争游戏规则”的潜力,因而成为世界各国航空航天研究的重点。 我国航天事业起始于1956年,60多年来,在空气动力学、动力、材料、控制等高超 声速相关的学科领域,一代又一代科研人员传承创新、接续奋斗,朝着人类自由飞行的目 标不懈前进。飞行器设计气动先行,也注定高超声速空气动力学的诞生和发展与高超声速 飞行器的发展紧密相连。在世界范围内,高超声速空气动力学也是一个长盛不衰的研究 热点。 鉴于风洞试验模拟能力的局限性,高超声速飞行器设计很大程度上依赖准确可靠的空 气动力设计与评估技术。气动布局设计、气动特性预测、多体分离与动态特性仿真等成了 高超声速飞行器气动设计的关键。本书由一线的气动专业团队编写,集中展现了当前我国 高超声速空气动力学研究的最新成果,凝聚了航天气动人智慧的结晶。 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最新成果,突出展示了高超声速飞行器乘波体布局设计、 气动布局优化设计等气动设计方法的最新进展,还特别推介了近年来蓬勃发展的数值虚拟 飞行模拟技术。 高超声速理论方法与工程问题的有机结合,集中体现了本书系统性、前瞻性、原创性 与实用性的特色。本技术专著的出版,将高超声速空气动力学基础研究和工程技术方面取 ·Ⅳ · 得的阶段成果和宝贵经验总结并固化下来,建立了基础研究和工程应用的桥梁,为广大研 究人员和工程技术人员提供了一本科学、系统、全面的高超声速空气动力学技术参考书, 借以助力我国高超声速飞行器的创新发展。 当然,人类飞行追求“更高、更快、更灵动” 的目标是永不停息的, 人类星际探索 的梦想与实践势必带动气体动力学研究更广泛的内涵与空间, “气动设计与评估” 永远 在路上。 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。 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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