高超声速飞行器气动外形设计课件1

高超飞行器气动设计原理李春娜陕西省西安市友谊西路127号249信箱，邮编：710072Email：[e-mail]西北工业大学航天学院第一章引论1Motivation第一章引论2为什么要进行气动设计？Motivation第一章引论3为什么要进行气动设计？Source:Website瞬时速度分布平均速度Motivation第一章引论4为什么要进行气动设计？Source:WebsiteMotivation第一章引论5为什么要进行气动设计？Source:WebsiteMotivation第一章引论6为什么要进行气动设计？Source:WebsiteMotivation第一章引论7为什么要进行气动设计？Source:WebsiteMotivation第一章引论8为什么要进行气动设计？（提供良好气动特性）H.F.Phillips的翼型专利试验得到翼型系列层流翼型高升力翼型Motivation第一章引论9为什么要进行气动设计？（提供良好气动特性）Source:WebsiteMotivation第一章引论10为什么要进行气动设计？（提供良好的控制作用）Source:WebsiteMotivation第一章引论11为什么要进行气动设计？（提供良好的控制作用）Source:WebsiteMotivation第一章引论12为什么要进行气动设计？（提供隐身性能）Source:WebsiteMotivation第一章引论13为什么要进行气动设计？（抑制危害）Source:Website引论高超飞行器典型气动外形设计高超飞行器气动一体化设计飞行器气动优化设计高超声速气动分析方法高超声速气动力工程预测方法高超声速CFD求解技术高超声速气动热工程预测方法切楔/切锥方法激波-膨胀波方法牛顿方法无梯度线性搜索算法现代智能优化算法基于梯度的优化算法优化基本理论非线性优化方法介绍约束优化问题多目标优化轴对称旋成体乘波体高超声速原理和流动特征高超声速飞行器典型气动布局翼身融合体升力体弹道-升力式返回舱导弹弹道式探测器/返回舱前体/进气道设计后体/尾喷管设计隔离段设计燃烧室设计第二章高超飞行器典型气动外形设计14学习线路图安排及要求课程目标：学习典型高超声速气动外形设计时要考虑的因素掌握高超声速气动分析方法了解如何利用优化方法求解气动优化问题考察方式：开卷考试（完成分析报告+部分试题）第一章引论15参考书目•高超声速飞行器空气动力学，黄志澄•高超声速飞行器技术，蔡国飚等•SelectedAerothermodynamicDesignProblemsofHypersonicFlightVehicles,E.H.Hirschel(高超声速飞行器气动热力学设计问题精选)•FundamentalsofAerodynamics,J.D.Anderson•HypersonicandHigh-TemperatureGasDynamics,J.D.Anderson•ComputationalFluidDynamics,J.D.Anderson•CompressibleFluidFlow,J.D.Anderson•飞行器优化设计，段德高第一章引论16第一章引论1.1高超声速原理和流动特征1.2高超飞行器空气动力学发展1.3空气动力学研究方法1.4高超声速飞行器典型气动布局第一章引论171.1高超声速原理和流动特征第一章引论18什么是高超声速？1.1高超声速原理和流动特征第一章引论19根据马赫数划分的机制①低速流动（Ma0.3）---不可压缩流动流动特点：流体密度被认为是常量。另一种定义：𝑑𝜌𝜌5%流体压缩性的定义：𝜏≡−1𝜈𝑑𝜈𝑑𝑝Source:Website1.1高超声速原理和流动特征第一章引论20根据马赫数划分的机制②亚音速流动（0.3Ma0.8）---理想气体流动特点：1）流动预知下游有物体出现；2）全流场区域内都是低于音速的流动。Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson根据马赫数划分的机制③跨音速流动（0.8Ma1.2）---理想气体1.1高超声速原理和流动特征第一章引论21流动特点：1）绕流出现局部超音速区；2）阻力明显的增加，CFD数值模拟的收敛性变差；3）激波类型：𝜆激波和弓形激波。Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson根据马赫数划分的机制④超音速流动（1.2Ma5）---理想气体1.1高超声速原理和流动特征第一章引论22Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson流动特点：1）流动对下游是否有物体并不预知，直至遇到激波；2）激波前后的流动都是超音速；3）与亚音速流动相比，其物理特性和数学特性都存在很大差异。根据马赫数划分的机制⑤高超音速流动（5Ma）---真实气体1.1高超声速原理和流动特征第一章引论23Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson流动特点：1）激波角变小；2）波后流动出现严重的耗散甚至于出现气体的电离；3）不再满足理想气体状态方程，流动为化学反应非平衡流。根据马赫数划分的机制⑤高超音速流动（5Ma）---真实气体1.1高超声速原理和流动特征第一章引论24Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson根据下述情况定义：1）当马赫数增加到超音速线化理论失效；2）比热比𝛾不再是定值，即流动出现高温效应；3）对于楔角大的情况，𝑀∞=3就可以出现高超音速流动；楔角小时需要5马赫。高超声速流动主要特征薄激波层和小密度比大的熵梯度和旋度强粘性效应（粘性干扰）高温效应（真实气体效应）低密度效应1.1高超声速原理和流动特征第一章引论25薄激波层和小密度比1.1高超声速原理和流动特征第一章引论26𝜽−𝜷−𝑴𝜽(𝟎°→𝟓𝟖°)𝜷(𝟎°→𝟗𝟎°)原理：𝜃给定，𝑀↑，𝛽↓，导致激波层变薄示例：𝜃=15°𝑀=36𝛽≈18°𝜽=𝟏𝟓°𝑴=𝟑𝟔𝜷=𝟏𝟖°Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson薄激波层和小密度比1.1高超声速原理和流动特征第一章引论27𝑻𝑷𝝆↑𝜌2𝜌1=𝛾+1𝑀𝑛,122+𝛾−1𝑀𝑛,12𝑃2𝑃1=1+2𝛾𝛾+1𝑀𝑛,12−1𝑇2𝑇1=𝑃2𝑃1𝜌1𝜌2原理：Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson大的熵梯度和旋度1.1高超声速原理和流动特征第一章引论28∆𝑠=𝑠2−𝑠1=−𝑅ln𝑝0,2𝑝0,1∆𝑠=𝑠2−𝑠1=𝑐𝑝ln1+2𝛾𝛾+1𝑀12−12+𝛾−1𝑀12𝛾+1𝑀12−𝑅ln1+2𝛾𝛾+1𝑀12−1Source:FundamentalsofAerodynamics,Anderson正激波前后总压比随来流马赫数的变化曲线原理：克罗柯（Crocco）定理：𝑉×𝛻×𝑉=−𝑇∆𝑠强粘性效应（粘性干扰）1.1高超声速原理和流动特征第一章引论29高超声速边界层内𝑇↑，从而𝜇↑，粘性效应增强。边界层内压力沿法向不变，但是由于𝑇↑，𝜌↓，根据质量守恒，可知边界层的𝛿↑。又由于激波层变薄，可能整个激波层都存在粘性。原理：边界层的厚度不能忽略，边界层变厚对无粘流产生影响，而无粘流又反作用于边界层增长，发生粘性干扰，普朗特（Prandtl）边界层理论失效。Source:高超声速飞行器技术，蔡国飙等低密度效应1.1高超声速原理和流动特征第一章引论30高空飞行时大气密度很低，致使分子平均自由程与飞行器的特征长度具有相同量级，因此流动再不能采用连续流的方法来处理。衡量气体稀薄程度的参数：努森数（Knudsennumber），𝐾𝑛=𝜆𝑙主要体现在：边界条件和间断处理上。原理：例如：90km左右高速飞行（a）采用速度滑移边界条件和壁面温度跳跃边界条件；（b）间断假设失效，需要采用Rankine-Hugoniot激波关系式进行修正。1.2高超飞行器空气动力学发展第一阶段：第一章引论31导弹Vergeltung2（1944）Source:wikiandwebsite第一颗人造地球卫星Sputnik1（1957）东方号飞船首次绕地球低轨道飞行Vistok1（1961）1945，19591.2高超飞行器空气动力学发展第二阶段：第一章引论32Source:website水星号Mercury东方号Vistok上升号Voskhod联盟号Soyuz阿波罗号Appollo双子星座号Gemini1.2高超飞行器空气动力学发展第二阶段：第一章引论33Source:websiteLH-20PLS样机80年代～90年代DeltaClipper可重复使用的航天飞机1.2高超飞行器空气动力学发展第三阶段：第一章引论34X-51X-43X-33Source:website空气动力学主要的研究方法：理论计算地面模拟试验飞行试验第一章引论351.3空气动力学研究方法第一章引论361.3空气动力学研究方法各研究方法对比：研究方法优/缺点适应范围理论计算1）降低计算成本和研制周期2）综合考虑多学科影响3）利于优化设计4）模拟状态是地面试验无法实现的5）高精度的分析耗时较长8～13M，联合试验数据和CFD结果地面模拟试验1）与飞行试验比，花销少，灵活性大，便于控制，易于获得数据2）由于地面低雷诺数，高测试马赫数和试验装臵干扰具有一定的局限性3）由于存在化学反应非平衡流动，只能进行局部测试0～8M，由试验数据推导模型自由飞1）与地面试验比，结果更真实，但是花销大2）试验准备期长，因此不能大量的重复试验3）难于考虑各种因素的影响，是综合性检验飞行数据用于验证开发的数值求解工具。大于13M时由验证过的程序求解第一章引论371.3空气动力学研究方法各研究方法对比：研究方法优/缺点适应范围理论计算1）降低计算成本和研制周期2）综合考虑多学科影响3）利于优化设计4）模拟状态是地面试验无法实现的5）高精度的分析耗时较长8～13M，联合试验数据和CFD结果地面模拟试验1）与飞行试验比，花销少，灵活性大，便于控制，易于获得数据2）由于地面低雷诺数，高测试马赫数和试验装臵干扰具有一定的局限性3）由于存在化学反应非平衡流动，只能进行局部测试4）对显示和测量技术提出了更高的要求0～8M，由试验数据推导模型自由飞1）与地面试验比，结果更真实，但是花销大2）试验准备期长，因此不能大量的重复试验3）难于考虑各种因素的影响，是综合性检验飞行数据用于验证开发的数值求解工具。大于13M时由验证过的程序求解第一章引论381.3空气动力学研究方法各研究方法对比：研究方法优/缺点适应范围理论计算1）降低计算成本和研制周期2）综合考虑多学科影响3）利于优化设计4）模拟状态是地面试验无法实现的5）高精度的分析耗时较长8～13M，联合试验数据和CFD结果地面模拟试验1）与飞行试验比，花销少，灵活性大，便于控制，易于获得数据2）由于地面低雷诺数，高测试马赫数和试验装臵干扰具有一定的局限性3）由于存在化学反应非平衡流动，只能进行局部测试4）对显示和测量技术提出了更高的要求0～8M，由试验数据推导飞行试验1）与地面试验比，结果更真实，但是花销大2）试验准备期长，因此不能大量的重复试验3）难于考虑各种因素的影响，是综合性检验飞行数据用于验证开发的数值求解工具。大于13M时由验证过的程序求解第一章引论391.4高超声速飞行器典型气动布局飞行器的飞行任务和起飞着陆方式决定了飞行器的构型。飞行包线、典型飞行状态、对飞行器气动特性的要求动力系统、基本布局形式部件设计：翼型、机翼、小翼、机身、操纵面、进气道、尾喷管、一体化构型对结构影响：气动热、气动噪声、气弹第一章引论401.4高超声速飞行器典型气动布局对飞行器气动性的要