飞行器非定常气动计算与优化技术

　　《飞行器非定常气动计算与优化技术》面向现代飞行器面临的非定常空气动力问题，主要介绍飞行器非定常空气动力数值计算、设计优化方法与技术。《飞行器非定常气动计算与优化技术》分为9章，第1章为绪论，主要介绍非定常空气动力计算与优化的概念和研究进展；第2章和第3章阐述非定常可压缩、不可压缩空气动力有限体积数值解算方法；第4章和第5章介绍非结构动态网格变形方法和非结构动态嵌套网格技术；第6章为飞行器非定常空气动力数值仿真应用；第7章推导和建立非定常离散伴随敏感性导数计算式，构建非定常流场离散伴随方程和网格离散伴随方程的求解策略；第8章阐述基于伴随误差分析的直角网格自适应加密技术及应用；第9章介绍基于非定常离散伴随的气动外形优化设计框架、参数化建模方法、优化算法和若干初步应用案例。

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目录
第1章　绪论　1
1.1　飞行器非定常空气动力问题　1
1.1.1　飞行器气动弹性动力学问题　1
1.1.2　战机大迎角机动飞行　1
1.1.3　多体分离非定常空气动力问题　2
1.1.4　旋翼/螺旋桨等非定常空气动力问题　2
1.1.5　仿生扑翼非定常空气动力学　3
1.2　计算空气动力学概述　4
1.2.1　计算空气动力学的概念和作用　4
1.2.2　计算空气动力学方法概述　5
1.2.3　计算空气动力学网格技术概述　9
1.3　非定常空气动力设计优化技术及发展　13
1.4　本书主要内容　16
参考文献　17
第2章　非定常可压缩空气动力有限体积数值解法　22
2.1　非定常空气动力控制方程　22
2.1.1　非定常NS方程　22
2.1.2　控制方程无量纲化　23
2.1.3　几何守恒定律　25
2.2　双时间步推进与伪时间导数预处理　26
2.3　控制方程离散　27
2.3.1　有限体积法空间离散　27
2.3.2　时间离散　28
2.4　对流通量计算　29
2.5　梯度重构　30
2.5.1　格林高斯法　30
2.5.2　最小二乘法　31
2.5.3　限制器　32
2.6　黏性通量　33
2.7　显式格式迭代求解　33
2.8　隐式格式迭代求解　34
2.8.1　离散方程线性化处理　34
2.8.2　雅可比矩阵　35
2.8.3　线性方程组求解　37
2.9　边界条件及边界通量雅可比矩阵　39
2.9.1　物面边界　39
2.9.2　对称面边界　41
2.9.3　其他边界条件　42
2.10　湍流模型　44
2.10.1　Spalart-Allmaras湍流模型　45
2.10.2　k-ω SST湍流模型　47
2.11　气动力计算　49
2.12　非定常流场并行求解　50
2.12.1　分布式并行计算策略　50
2.12.2　非结构并行求解器构建　51
参考文献　54
第3章　非定常不可压空气动力有限体积数值解法　58
3.1　不可压流控制方程　58
3.1.1　微分形式方程　58
3.1.2　无量纲化　59
3.1.3　虚拟压缩法与双时间步　60
3.1.4　积分形式方程　61
3.1.5　几何守恒定律　61
3.2　流体控制方程离散求解　62
3.2.1　方程离散　62
3.2.2　对流通量　62
3.2.3　隐式格式迭代求解　64
3.3　边界条件　67
3.3.1　物面边界　67
3.3.2　对称面边界　69
3.3.3　基于特征变量的入流出流边界条件　69
参考文献　72
第4章　非结构动态网格变形方法　74
4.1　网格整体刚体运动　75
4.2　弹簧模型网格变形　77
4.3　线弹性体模型网格变形　77
4.3.1　控制方程　78
4.3.2　方程离散　79
4.3.3　线性化处理　79
4.4　径向基函数网格变形方法　80
4.4.1　RBF基本原理　81
4.4.2　减小计算量的贪婪算法　83
4.5　Delaunay图映射网格变形方法　85
4.5.1　Delaunay图映射网格变形基本原理　86
4.5.2　改进Delaunay图映射方法　87
4.5.3　原方法与改进方法生成动网格的质量和效率的比较　90
4.6　组合网格变形方法　92
4.6.1　SPR-DGM　92
4.6.2　RBF-DGM　96
参考文献　98
第5章　非结构动态嵌套网格技术　100
5.1　网格生成与分层管理　101
5.2　嵌套网格隐式“挖洞”　102
5.3　宿主单元搜索算法　105
5.3.1　逆映射方法　105
5.3.2　蛇行搜索法　107
5.3.3　交替数字树（ADT）方法　107
5.3.4　几种宿主单元搜索算法的比较　111
5.4　嵌套边界优化　112
5.5　网格间的插值　115
5.6　嵌套网格并行装配数据通信策略　115
5.7　物面距计算　117
5.7.1　常用物面距计算方法　117
5.7.2　物面距阵面推进并行计算方法　118
5.8　可变形动态嵌套网格方法　126
5.9　动态嵌套网格的几个示例　128
参考文献　130
第6章　飞行器非定常空气动力数值仿真应用　133
6.1　飞行器多体分离问题　133
6.1.1　机翼挂架外挂物模型　134
6.1.2　复杂构型战机外挂武器投放　136
6.1.3　高速无人机内埋武器分离　138
6.1.4　二级入轨飞行器级间分离　143
6.2　直升机旋翼机身气动干扰问题　150
6.2.1　GIT旋翼机身模型　151
6.2.2　ROBIN模型　154
6.2.3　高速直升机构型　155
6.3　扑翼非定常空气动力学研究　159
6.3.1　柔性扑翼推力机制研究　160
6.3.2　蜻蜓扑翼非定常空气动力机制　162
6.3.3　仿生扑翼飞行器非定常气动特性　171
6.4　飞行器拖曳系统　173
6.4.1　CFD-MBD耦合数值建模方法　174
6.4.2　空中加油软管锥套平衡位置计算　183
6.4.3　无人机空中回收过程　188
6.5　其他应用　192
6.5.1　起落架/舱门收放过程　192
6.5.2　螺旋桨/机翼气动干扰　194
6.5.3　自旋尾翼导弹　197
参考文献　199
第7章　非定常离散伴随敏感性导数求解方法　202
7.1　时均目标函数　202
7.2　敏感性导数离散伴随计算式推导　205
7.3　流场离散伴随方程求解　210
7.4　网格离散伴随方程求解　214
7.4.1　静态网格　215
7.4.2　刚体运动网格　216
7.4.3　变形网格　217
7.5　离散伴随方程逆向积分求解策略　218
7.5.1　全局时间逆向求解法　218
7.5.2　局部时间逆向求解法　220
7.6　敏感性导数计算验证　226
7.6.1　NACA0012翼型定常无黏跨声速绕流　226
7.6.2　RAE2822翼型定常黏性跨声速绕流　227
7.6.3　NACA64A010翼型非定常湍流强迫俯仰运动　229
参考文献　232
第8章　基于伴随误差分析的网格自适应加密技术　235
8.1　流体控制方程及求解　237
8.2　伴随误差分析　238
8.2.1　目标函数　238
8.2.2　伴随方程的建立与求解　238
8.2.3　伴随误差修正　239
8.2.4　误差估计　240
8.3　直角网格自适应策略　241
8.3.1　初始直角网格生成　241
8.3.2　基于流场特征的网格自适应　247
8.3.3　基于伴随的网格自适应　248
8.4　离散伴随网格自适应在超声速声爆预测上的应用　250
8.4.1　超声速民机声爆预测问题　250
8.4.2　典型算例验证　251
8.4.3　发动机短舱布局对声爆强度的影响研究　259
8.5　本章小结　268
参考文献　269
第9章　基于非定常离散伴随的气动外形优化　273
9.1　离散伴随气动外形优化设计框架　273
9.2　参数化建模　274
9.2.1　自由变形法（FFD）　274
9.2.2　类形函数变换法（CST）　280
9.3　基于梯度的优化算法　288
9.3.1　常见的基于梯度的无约束优化算法　288
9.3.2　序列二次规划算法　289
9.4　离散伴随外形优化设计示例　292
9.4.1　翼型跨声速减阻设计　292
9.4.2　翼型大攻角分离流动减阻设计　294
9.4.3　升沉俯仰翼型推进系数优化设计　297
9.4.4　机翼强迫俯仰运动减阻设计　300
参考文献　304