總 序
中國航天事業(yè)創(chuàng)建60年來,走出了一條具有中國特色的發(fā)展之路,實現(xiàn)了空間技術、
空間應用和空間科學三大領域的快速發(fā)展,取得了“兩彈一星”、載人航天、月球探測、
北斗導航、高分辨率對地觀測等輝煌成就。航天科技工業(yè)作為我國科技創(chuàng)新的代表,是我
國綜合實力特別是高科技發(fā)展實力的集中體現(xiàn),在我國經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要
作用。
作為我國航天科技工業(yè)發(fā)展的主導力量,中國航天科技集團公司不僅在航天工程研制
方面取得了輝煌成就,也在航天技術研究方面取得了巨大進展,對推進我國由航天大國向
航天強國邁進起到了積極作用。在中國航天事業(yè)創(chuàng)建60周年之際,為了全面展示航天技
術研究成果,系統(tǒng)梳理航天技術發(fā)展脈絡,迎接新形勢下在理論、技術和工程方面的嚴峻
挑戰(zhàn),中國航天科技集團公司組織技術專家,編寫了《中國航天技術進展叢書》。
這套叢書是完整概括中國航天技術進展、具有自主知識產權的精品書系,全面覆蓋中
國航天科技工業(yè)體系所涉及的主體專業(yè),包括總體技術、推進技術、導航制導與控制技
術、計算機技術、電子與通信技術、遙感技術、材料與制造技術、環(huán)境工程、測試技術、
空氣動力學、航天醫(yī)學以及其他航天技術。叢書具有以下作用:總結航天技術成果,形成
具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、前瞻性的航天技術文獻體系;優(yōu)化航天技術架構,強化航天學科融
合,促進航天學術交流;引領航天技術發(fā)展,為航天型號工程提供技術支撐。
雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越。“十三五”期間,中國航天事業(yè)迎來了更多的發(fā)
展機遇。這套切合航天工程需求、覆蓋關鍵技術領域的叢書,是中國航天人對航天技術發(fā)
展脈絡的總結提煉,對學科前沿發(fā)展趨勢的探索思考,體現(xiàn)了中國航天人不忘初心、不斷
前行的執(zhí)著追求。期望廣大航天科技人員積極參與叢書編寫、切實推進叢書應用,使之在
中國航天事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮應有的作用。
2016年12月
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· ·
序
人類對自由飛行有著無限的向往與憧憬, “更高、更快、更靈動” 一直是人類飛行不
懈追求的永恒主題。中國先賢發(fā)明了風箏和孔明燈, 寄托了對升空飛行的夢想與祈盼。
1903年萊特兄弟駕駛“飛行者一號” 騰空而躍,奏響了人類翱翔天空的精彩華章。1947
年貝爾X-1飛機突破“聲障”,人類進入超聲速飛行的時代。1949年“WAC下士”飛行
馬赫數(shù)達到驚人的6.5,實現(xiàn)了人類歷史的第一次高超聲速飛行。早在1946年,我國航天
事業(yè)奠基人、空氣動力學家錢學森先生就預見性地提出了“Hypersonic”。
高超聲速技術是21世紀對航空航天技術發(fā)展具有前瞻性、顛覆性和牽引性作用的戰(zhàn)
略制高點。高超聲速飛行器具有快速到達、全球打擊、強突防等顯著的軍事優(yōu)勢,具備改
變“戰(zhàn)爭游戲規(guī)則”的潛力,因而成為世界各國航空航天研究的重點。
我國航天事業(yè)起始于1956年,60多年來,在空氣動力學、動力、材料、控制等高超
聲速相關的學科領域,一代又一代科研人員傳承創(chuàng)新、接續(xù)奮斗,朝著人類自由飛行的目
標不懈前進。飛行器設計氣動先行,也注定高超聲速空氣動力學的誕生和發(fā)展與高超聲速
飛行器的發(fā)展緊密相連。在世界范圍內,高超聲速空氣動力學也是一個長盛不衰的研究
熱點。
鑒于風洞試驗模擬能力的局限性,高超聲速飛行器設計很大程度上依賴準確可靠的空
氣動力設計與評估技術。氣動布局設計、氣動特性預測、多體分離與動態(tài)特性仿真等成了
高超聲速飛行器氣動設計的關鍵。本書由一線的氣動專業(yè)團隊編寫,集中展現(xiàn)了當前我國
高超聲速空氣動力學研究的最新成果,凝聚了航天氣動人智慧的結晶。
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最新成果,突出展示了高超聲速飛行器乘波體布局設計、
氣動布局優(yōu)化設計等氣動設計方法的最新進展,還特別推介了近年來蓬勃發(fā)展的數(shù)值虛擬
飛行模擬技術。
高超聲速理論方法與工程問題的有機結合,集中體現(xiàn)了本書系統(tǒng)性、前瞻性、原創(chuàng)性
與實用性的特色。本技術專著的出版,將高超聲速空氣動力學基礎研究和工程技術方面取
·Ⅳ ·
得的階段成果和寶貴經(jīng)驗總結并固化下來,建立了基礎研究和工程應用的橋梁,為廣大研
究人員和工程技術人員提供了一本科學、系統(tǒng)、全面的高超聲速空氣動力學技術參考書,
借以助力我國高超聲速飛行器的創(chuàng)新發(fā)展。
當然,人類飛行追求“更高、更快、更靈動” 的目標是永不停息的, 人類星際探索
的夢想與實踐勢必帶動氣體動力學研究更廣泛的內涵與空間, “氣動設計與評估” 永遠
在路上。
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
目 錄
·Ⅷ ·
2.4.2 RANS/LES混合方法 ………………………………………………………… 38
2.5 轉捩預測技術 ………………………………………………………………………… 40
2.5.1 代數(shù)轉捩準則法 ………………………………………………………………… 40
2.5.2 γ Reθ 轉捩模型 ……………………………………………………………… 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 非結構網(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
目 錄
·Ⅹ ·
6.1.2 旋轉空氣動力學效應 ………………………………………………………… 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
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