高超聲速空氣動力設(shè)計與評估方法

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

1.1 高超聲速飛行器氣動布局技術(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布局技術(shù)發(fā)展 …………………………………………… 2

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

1.2 新型高超聲速飛行器的氣動設(shè)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(shè)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(shè)計問題 ……………………………………………………… 13

1.3.1 高超聲速飛行器氣動布局設(shè)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(shè)計支撐技術(shù)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(shù)在飛行器設(shè)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(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)測技術(shù) ………………………………………………………………………… 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(shù) ……………………………………………………………………… 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(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(shè)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(shè)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(fù)雜氣動效應(yīng)與氣動力數(shù)據(jù)天地相關(guān)性 ……………………………… 140

5.1 高超聲速復(fù)雜氣動效應(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(guān)鍵影響因素 ……………………………………… 149

5.2.2 氣動力數(shù)據(jù)天地相關(guān)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(shù)的發(fā)展趨勢 …………………… 181

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

目 錄

·Ⅹ ·

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

6.2動穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)預(yù)測理論 ……………………………………………………………… 183

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

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

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

6.3.1 基于當?shù)鼗钊碚摰臍鈩訉?dǎo)數(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(dǎo)數(shù)預(yù)測方法 …………………………………… 188

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

6.4 動穩(wěn)定性導(dǎo)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(xué)效應(yīng)的數(shù)值預(yù)測技術(shù) …………………………………………… 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(yù)測方法 …………………………………………………………… 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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計 ……………… 279

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