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中國航天技術(shù)進(jìn)展叢書 高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評估方法 
定 價(jià)：98 元
9 7 9 8 1 7 7 5 2 1 4 5 5  本書以高超聲速飛行器關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問題為主線，系統(tǒng)總結(jié)了高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)與評估的相關(guān)基礎(chǔ)理論、方法及工程應(yīng)用實(shí)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(yàn)證與確認(rèn)、復(fù)雜氣體物理效應(yīng)、數(shù)據(jù)天地相關(guān)性、非定常動(dòng)態(tài)與多體分離仿真等氣動(dòng)評估技術(shù)的成果。 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(shí)現(xiàn)了空間技術(shù)、 空間應(yīng)用和空間科學(xué)三大領(lǐng)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(dǎo)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(shí)力特別是高科技發(fā)展實(shí)力的集中體現(xiàn),在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)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(dǎo)力量,中國航天科技集團(tuán)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(shù)研究方面取得了巨大進(jìn)展,對推進(jìn)我國由航天大國向 航天強(qiáng)國邁進(jìn)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(shù)研究成果,系統(tǒng)梳理航天技術(shù)發(fā)展脈絡(luò),迎接新形勢下在理論、技術(shù)和工程方面的嚴(yán)峻 挑戰(zhàn),中國航天科技集團(tuán)公司組織技術(shù)專家,編寫了《中國航天技術(shù)進(jìn)展叢書》。 這套叢書是完整概括中國航天技術(shù)進(jìn)展、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(shù)、推進(jìn)技術(shù)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子與通信技術(shù)、遙感技術(shù)、材料與制造技術(shù)、環(huán)境工程、測試技術(shù)、 空氣動(dòng)力學(xué)、航天醫(yī)學(xué)以及其他航天技術(shù)。叢書具有以下作用:總結(jié)航天技術(shù)成果,形成 具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、前瞻性的航天技術(shù)文獻(xiàn)體系;優(yōu)化航天技術(shù)架構(gòu),強(qiáng)化航天學(xué)科融 合,促進(jìn)航天學(xué)術(shù)交流;引領(lǐng)航天技術(shù)發(fā)展,為航天型號(hào)工程提供技術(shù)支撐。 雄關(guān)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(jī)遇。這套切合航天工程需求、覆蓋關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的叢書,是中國航天人對航天技術(shù)發(fā) 展脈絡(luò)的總結(jié)提煉,對學(xué)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(shí)推進(jìn)叢書應(yīng)用,使之在 中國航天事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。 2016年12月 · · · · 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(dòng)” 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(fēng)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(hào)” 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(jī)突破“聲障”,人類進(jìn)入超聲速飛行的時(shí)代。1949年“WAC下士”飛行 馬赫數(shù)達(dá)到驚人的6.5,實(shí)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(dòng)力學(xué)家錢學(xué)森先生就預(yù)見性地提出了“Hypersonic”。 高超聲速技術(shù)是21世紀(jì)對航空航天技術(shù)發(fā)展具有前瞻性、顛覆性和牽引性作用的戰(zhàn) 略制高點(diǎn)。高超聲速飛行器具有快速到達(dá)、全球打擊、強(qiáng)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(diǎn)。 我國航天事業(yè)起始于1956年,60多年來,在空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力、材料、控制等高超 聲速相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)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(biāo)不懈前進(jìn)。飛行器設(shè)計(jì)氣動(dòng)先行,也注定高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)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(nèi),高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)也是一個(gè)長盛不衰的研究 熱點(diǎn)。 鑒于風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力的局限性,高超聲速飛行器設(shè)計(jì)很大程度上依賴準(zhǔn)確可靠的空 氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評估技術(shù)。氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、氣動(dòng)特性預(yù)測、多體分離與動(dòng)態(tài)特性仿真等成了 高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本書由一線的氣動(dòng)專業(yè)團(tuán)隊(duì)編寫,集中展現(xiàn)了當(dāng)前我國 高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)研究的最新成果,凝聚了航天氣動(dòng)人智慧的結(jié)晶。 本書以高超聲速飛行器關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問題為主線,系統(tǒng)總結(jié)了高超聲速飛行器氣動(dòng) 設(shè)計(jì)與評估的相關(guān)基礎(chǔ)理論、方法及工程應(yīng)用實(shí)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(yàn)證與確認(rèn)、復(fù)雜氣體物理效應(yīng)、數(shù)據(jù)天地相關(guān)性、非定常動(dòng)態(tài)與 多體分離仿真等氣動(dòng)評估技術(shù)的最新成果,突出展示了高超聲速飛行器乘波體布局設(shè)計(jì)、 氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)等氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法的最新進(jìn)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(shù)。 高超聲速理論方法與工程問題的有機(jī)結(jié)合,集中體現(xiàn)了本書系統(tǒng)性、前瞻性、原創(chuàng)性 與實(shí)用性的特色。本技術(shù)專著的出版,將高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)方面取 ·Ⅳ · 得的階段成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并固化下來,建立了基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用的橋梁,為廣大研 究人員和工程技術(shù)人員提供了一本科學(xué)、系統(tǒng)、全面的高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)參考書, 借以助力我國高超聲速飛行器的創(chuàng)新發(fā)展。 當(dāng)然,人類飛行追求“更高、更快、更靈動(dòng)” 的目標(biāo)是永不停息的, 人類星際探索 的夢想與實(shí)踐勢必帶動(dòng)氣體動(dòng)力學(xué)研究更廣泛的內(nèi)涵與空間, “氣動(dòng)設(shè)計(jì)與評估” 永遠(yuǎn) 在路上。 楊云軍，1975年出生于江蘇海安，研究員，博士生導(dǎo)師。中國航天科技集團(tuán)公司學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，現(xiàn)任中國力學(xué)學(xué)會(huì)流體力學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)高超聲速專業(yè)委員會(huì)秘書長。主要從事非定�？諝鈩�(dòng)力學(xué)和飛行器動(dòng)態(tài)特性研究工作。 第1章 緒 論 ………………………………………………………………………………… 1 1.1 高超聲速飛行器氣動(dòng)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(dòng)布局技術(shù)發(fā)展 …………………………………………… 2 1.1.3 高超聲速飛行器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) ……………………………………………… 8 1.2 新型高超聲速飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和流動(dòng)特征 ………………………………… 9 1.2.1 新型高超聲速飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn) ………………………………………… 9 1.2.2 高超聲速飛行器的流動(dòng)特征 …………………………………………………… 11 1.3 高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)問題 ……………………………………………………… 13 1.3.1 高超聲速飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì) ………………………………………………… 13 1.3.2 高超聲速飛行器氣動(dòng)性能評估與分析 ………………………………………… 14 1.4 高超聲速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)支撐技術(shù)與本書內(nèi)容 …………………………………… 18 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 21 第2章 數(shù)值方法 …………………………………………………………………………… 23 2.1 CFD技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的作用…………………………………………………… 23 2.2 控制方程與數(shù)值求解 ………………………………………………………………… 24 2.2.1 流動(dòng)控制方程 …………………………………………………………………… 24 2.2.2 空間離散與通量計(jì)算 …………………………………………………………… 25 2.2.3 邊界條件 ………………………………………………………………………… 27 2.2.4 時(shí)間推進(jìn) ………………………………………………………………………… 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(zhǔn)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(jì)算 ………………………………………………………………… 44 2.6.2 異構(gòu)平臺(tái)擴(kuò)展 …………………………………………………………………… 45 2.7 高溫真實(shí)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(jì)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(shí)例 ……………………………………………………………………………… 52 2.9.1 高超聲速雙錐分離流動(dòng) ………………………………………………………… 52 2.9.2 鳳凰號(hào)火星探測器高超聲速氣動(dòng)特性計(jì)算 …………………………………… 54 2.9.3 三維非對稱雙楔超聲速流動(dòng) …………………………………………………… 57 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 59 第3章 高超聲速流動(dòng)快速高效數(shù)值方法 ………………………………………………… 64 3.1 PNS方程……………………………………………………………………………… 65 3.2 空間推進(jìn)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(zhǔn)確性及高效性驗(yàn)證………………………………………………… 78 3.4.1 超聲速平板流動(dòng) ………………………………………………………………… 78 3.4.2 尖錐流動(dòng) ………………………………………………………………………… 82 3.4.3 類航天飛機(jī)繞流 ………………………………………………………………… 87 3.4.4 類 HTV 2飛行器流動(dòng) ……………………………………………………… 91 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 96 高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評估方法 ·Ⅸ · 第4章 CFD程序驗(yàn)證與確認(rèn)方法 ………………………………………………………… 97 4.1 基本概念 ……………………………………………………………………………… 97 4.2 驗(yàn)證方法 ……………………………………………………………………………… 99 4.2.1 代碼驗(yàn)證 ……………………………………………………………………… 100 4.2.2 誤差估計(jì) ……………………………………………………………………… 105 4.3 模型確認(rèn) …………………………………………………………………………… 111 4.3.1 確認(rèn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與執(zhí)行 ……………………………………………………… 112 4.3.2 確認(rèn)活動(dòng)組織 ………………………………………………………………… 113 4.3.3 確認(rèn)尺度的構(gòu)建 ……………………………………………………………… 116 4.4 驗(yàn)證與確認(rèn)實(shí)例 …………………………………………………………………… 124 4.4.1 驗(yàn)證過程 ……………………………………………………………………… 124 4.4.2 確認(rèn)過程 ……………………………………………………………………… 130 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 138 第5章 高超聲速復(fù)雜氣動(dòng)效應(yīng)與氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地相關(guān)性 ……………………………… 140 5.1 高超聲速復(fù)雜氣動(dòng)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(shí)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(dòng)力數(shù)據(jù)天地?fù)Q算方法 ………………………………………………………… 147 5.2.1 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地差異的關(guān)鍵影響因素 ……………………………………… 149 5.2.2 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地相關(guān)性理論 ………………………………………………… 150 5.2.3 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)天地?fù)Q算方法 …………………………………………………… 156 5.3 氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 …………………………………………………… 165 5.3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化方法 …………………………………… 165 5.3.2 CFD氣動(dòng)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(dòng)力數(shù)據(jù)不確定度量化實(shí)例 ……………………… 175 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 178 第6章 飛行器非定常與動(dòng)態(tài)特性計(jì)算方法 ……………………………………………… 181 6.1 飛行器非定常與動(dòng)態(tài)氣動(dòng)問題及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢 …………………… 181 6.1.1 動(dòng)穩(wěn)定性參數(shù) ………………………………………………………………… 181 目 錄 ·Ⅹ · 6.1.2 旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng) ………………………………………………………… 183 6.2動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)預(yù)測理論 ……………………………………………………………… 183 6.2.1 氣動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)理論基礎(chǔ)與非定常氣動(dòng)力模型 …………………………… 183 6.2.2 常用的動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)與坐標(biāo)系定義 ………………………………………… 184 6.3 動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的計(jì)算技術(shù) ………………………………………………………… 185 6.3.1 基于當(dāng)?shù)鼗钊碚摰臍鈩?dòng)導(dǎo)數(shù)攝動(dòng)法 ……………………………………… 185 6.3.2 準(zhǔn)定常旋轉(zhuǎn)法 ………………………………………………………………… 188 6.3.3 基于非定常數(shù)值模擬的動(dòng)導(dǎo)數(shù)預(yù)測方法 …………………………………… 188 6.3.4 時(shí)間譜方法 …………………………………………………………………… 193 6.4 動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)方法驗(yàn)證與分析 …………………………………………………… 197 6.4.1 Finner標(biāo)模 …………………………………………………………………… 197 6.4.2 HBS標(biāo)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(dòng)力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值預(yù)測技術(shù) …………………………………………… 209 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 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(yùn)動(dòng)方程與剛體運(yùn)動(dòng)方程耦合求解 …………………………………… 228 7.2.4 時(shí)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(jì)算實(shí)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(jí)間分離 ……………………………………………………………………… 254 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 256 高超聲速空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與評估方法 ·Ⅺ · 第8章 高超聲速飛行器氣動(dòng)布局優(yōu)化方法 ……………………………………………… 258 8.1 設(shè)計(jì)方法簡述 ……………………………………………………………………… 258 8.2 優(yōu)化模型 …………………………………………………………………………… 259 8.3 氣動(dòng)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(dòng)生成 ………………………………………………………………… 263 8.4優(yōu)化方法 ……………………………………………………………………………… 264 8.4.1 優(yōu)化算法與靈敏度計(jì)算 ……………………………………………………… 264 8.4.2 基于近似模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 ……………………………………………… 267 8.5 優(yōu)化平臺(tái) …………………………………………………………………………… 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(jì)平臺(tái) ……………………………………………… 271 8.6 優(yōu)化案例 …………………………………………………………………………… 276 8.6.1 返回艙外形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì) ………………………………………………… 276 8.6.2 類 HTV 2高超聲速飛行器外形氣動(dòng)力/熱綜合優(yōu)化設(shè)計(jì) ……………… 279 8.6.3 高超聲速機(jī)動(dòng)飛行器外形氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) …………………………………… 285
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