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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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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。
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| 目錄：
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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 RANSLES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 Re 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
参考文献 290
第9章 乘波体布局设计 295
9.1 乘波体概述 295
9.1.1 设计原理 295
9.1.2 设计途径 296
9.2 给定流场设计乘波体 297
9.2.1 楔形流场乘波体 297
9.2.2 锥形流场乘波体 299
9.2.3 轴对称流场乘波体 301
9.2.4 三维流场乘波体 304
9.3 拟合流场设计乘波体 305
9.3.1 设计思想 305
9.3.2 密切锥乘波体方法 305
9.3.3 定平面形状乘波体设计 307
9.4 乘波体外形工程实用化处理 312
9.4.1 气动粘性效应修正 312
目 录
Ⅻ
9.4.2 前缘钝化防热设计 313
9.4.3 有效装载容积设计 314
9.4.4 舵面设计 314
9.5 乘波体布局设计实例 315
9.5.1 水平起降高超声速巡航飞行器 315
9.5.2 助推 滑翔式高超声速飞行器 318
参考文献 322
第10章 飞行器操稳特性分析方法 324
10.1 运动方程 324
10.1.1 坐标轴系 324
10.1.2 六自由度运动方程 326
10.1.3 小扰动运动方程 328
10.2 飞行器操稳特性线化分析方法 329
10.2.1 静稳定性与静操纵性 329
10.2.2 动稳定性判据 332
10.2.3 模态特性分析 333
10.2.4 模态简化分析 334
10.3 高超声速飞行器耦合特性分析方法 342
10.3.1 高超声速飞行器耦合运动特点 343
10.3.2 偏离预测判据 346
10.3.3 基于仿真的耦合特性分析方法 352
10.4 高超声速飞行器增稳系统设计方法 355
10.4.1 高超声速飞行器增稳策略 355
10.4.2 增稳控制仿真验证 357
参考文献 360
第11章 数值虚拟飞行 361
11.1 数值虚拟飞行的发展 361
11.1.1 现代飞行器挑战性的动态问题 361
11.1.2 数值虚拟飞行的发展趋势 362
11.2 数值虚拟飞行的基本流程 366
11.3 网格运动技术 367
11.3.1 非结构重叠网格技术 367
高超声速空气动力设计与评估方法
?
11.3.2 非结构重叠网格静态气动特性验证 371
11.4 流体动力学与刚体动力学耦合时间推进 374
11.5 数值自由飞行 375
11.5.1 细长三角翼自由摇滚 375
11.5.2 高超声速再入弹头的失稳运动 378
11.5.3 类 HTV 2飞行器的多自由度动态数值模拟 384
11.6 气动控制飞行一体化耦合的数值虚拟飞行 385
11.6.1 高超声速高升力体飞行器变攻角操纵与稳定控制飞行 385
11.6.2 高超声速高升力体飞行器六自由度滚摆机动 389
11.7 数值虚拟飞行未来发展的思考 394
11.7.1 高保真的物理模型 394
11.7.2 一体化耦合计算策略 395
11.7.3 动态网格生成技术及自适应 395
11.7.4 超大规模高性能计算 396
11.7.5 与其他交叉学科耦合问题 396
参考文献 398
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| 內容試閱：
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前 言
高超声速技术是当今世界大国追逐的战略制高点,由此推动了高超声速相关学科领域
的迅猛发展。在我国航天事业经历了60余载辉煌发展的历史时期,我国高超声速飞行器
发展也进入了全面自主创新的重要阶段,因此对高超声速空气动力设计与评估技术提出了
前所未有的高要求。
全世界在高超声速领域的研究呈现如火如荼的态势,高超声速空气动力学无疑是一个
高度关注的热点。随着马赫数的增大,某些流动物理现象变得越来越重要,这些现象主要
包括高马赫数产生高度非线性的流体动力学特性和高温物理化学特性,航天飞机高超声
速异常就属于此类问题。高超声速气动设计主要面临三个方面的挑战：一是准确把握上
述复杂流动物理现象及其对气动特性的影响;二是在严格约束与苛求目标下的气动布局设
计与优化;三是气动与其他学科在非线性流动及交叉耦合条件下的综合评估。
毋庸讳言,高超声速风洞试验能力还有一定的局限性。21世纪以来,在工程应用需
求驱动、计算技术日新月异的大背景下,高超声速数值模拟方法取得了长足的发展。这些
对高超声速气动预测、设计与评估起支撑作用的技术突破相对独立而零散,对其体系化的
梳理与挖掘就很有必要且具备很高的工程价值。为了系统总结、深化与推广航天气动人在
高超声速领域的研究成果,夯实高超声速飞行器创新设计气动先行的基础,特编写《高超
声速空气动力设计与评估方法》一书。全书阐述了高超声速飞行器气动设计与评估的基础
理论与方法,内容涉及高超声速CFD 方法及验证与确认、高空高马赫数复杂气体效应与
天地相关性方法、非定常动态与多体分离仿真评估技术、气动布局设计与多学科优化技
术,以及近些年备受关注的数值虚拟飞行仿真评估技术等,力图对当前高超声速飞行器气
动设计中的关键技术进行全面介绍与剖析,以飨读者。
针对前述高超声速气动设计的三方面挑战性问题,遵照气动预测、设计与评估的脉络
构思来完成全书策划和撰写。全书分为11章,由中国航天空气动力技术研究院相关研究
人员编写。第1章由周伟江、陈冰雁编写,主要介绍高超声速飞行器的基本特点及关键气
动问题;第2章由刘周、杨云军编写,主要介绍基本方程与数值技术、网格技术、并行技
术以及湍流、转捩、高温真实气体物理模型等;第3章由王利、周伟江编写,主要介绍适
应高超声速气动设计快速响应需求的PNS快速高效数值方法;第4章由王利、周伟江编
写,主要介绍CFD验证与确认方法;第5章由龚安龙、王利编写,主要介绍高超声速流
前 言
Ⅵ
动复杂气动效应、气动力数据天地相关性以及气动力数据不确定度量化方法;第6章由杨
云军、刘周编写,主要介绍飞行器动稳定性导数多层次的计算方法;第7章由李盾、何跃
龙编写,主要介绍高超声速多体分离数值模拟方法;第8章由王荣、白鹏编写,主要介绍
高超声速飞行器气动布局优化设计方法;第9章由白鹏、陈冰雁编写,主要介绍乘波体布
局设计;第10章由豆国辉、纪楚群编写,主要介绍飞行器气动性能评估和可控性设计方
法;第11章由杨云军、刘周编写,主要介绍多学科耦合的数值虚拟飞行方法。
全书由杨云军、龚安龙、白鹏统稿,李锋为本书撰写序言,纪楚群、周伟江负责全书
审校工作。刘传振、谢立军、石磊、刘强、李静、徐国武、闫溟等同志在书稿整理过程中
给予了许多帮助。感谢相丽艳同志为本书出版策划提供的大力帮助,感谢安复兴研究员提
供的有益指导。特别感谢周伟江和纪楚群两位同志在本书出版策划和统筹方面的无私奉
献。衷心感谢航天科技图书出版基金和国家自然科学基金11772317的资助。
本书适合从事气动设计与评估的相关研究人员和工程技术人员,希冀本书能对其提供
一些有益的参考。进一步,如能启迪一些思路,抛砖引玉并推动相关工作的些许进步,则
善莫大焉。
限于作者水平和能力,错误和不当之处在所难免,敬请读者批评指正!
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。
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