现代飞机的空气动力设计PDF电子书下载

上篇 基础篇 2

第1章 现代飞机设计模式的发展和特点 2

1.1飞机设计的高技术性和高复杂性 2

1.2航空产品（飞机）模式的发展和变化 4

1.3飞机设计模式的变化 6

1.4数字化设计 7

1.4.1方案决策支持系统 7

1.4.2综合设计与工程发展系统 8

1.4.3集群化性能分析与仿真系统 8

1.4.4虚拟现实运营与制造仿真系统 8

1.4.5试验信息综合管理系统 9

1.4.6知识管理与适航取证支持系统 10

1.4.7国外典型大型飞机数字化设计实例 11

1.5计算流体力学在飞机设计中的作用 11

1.6 CFD及其在现代飞机设计中应用的发展 19

1.6.1线性位势方法 20

1.6.2全速势耦合边界层方法 21

1.6.3欧拉方程方法及其与边界层方法的耦合 23

1.6.4 N-S方程方法 24

1.6.5基于CFD方法的设计方法和工具 32

1.7多学科优化设计 36

1.7.1 MDO方法 36

1.7.2支撑机翼跨声速民用机的多学科优化设计 39

1.7.3波音公司的MDOPT软件 49

1.7.4大飞机和战斗机的双学科优化举例 52

1.7.5 MDO应用的现状和未来 53

参考文献 55

中篇 军用机篇 61

第2章 未来战斗机发展的趋势及其对空气动力学提出的挑战 61

2.1第三代战斗机的特点 61

2.2第四代战斗机的特点 64

2.3 2020年空战中战斗机配备的设想 67

2.3.1重、轻型机的搭配 67

2.3.2有人机和无人机的搭配 69

2.4无人飞行器的研制 70

2.4.1无人机在局部战争中的地位与作用 70

2.4.2无人机的种类和发展的方向 71

2.4.3长航时高空无人侦察机 72

2.4.4无人战斗机 74

2.4.5小型/微型无人机（SUAV/MAV） 79

2.5结束语 86

第3章 现代战斗机气动布局示例 87

3.1非定常大迎角空气动力学 87

3.1.1大迎角空气动力的特性 87

3.1.2绕细长物体的大迎角非定常空气动力特性 91

3.1.3细长前机身非对称涡流动的控制 94

3.1.4大迎角和非定常空气动力的计算 98

3.2边条翼升力面布局 103

3.2.1引言 103

3.2.2边条翼流动的特性 104

3.2.3边条翼的气动布局 108

3.2.4自适应机翼 113

3.2.5大迎角时的静稳定性 115

3.2.6超声速飞机边条翼布局气动力小结 117

3.3鸭式布局 118

3.3.1引言 118

3.3.2近距耦合的鸭式布局 119

3.3.3远距耦合的鸭式布局 124

3.4前掠翼的三翼面布局 126

3.4.1引言 126

3.4.2前掠翼气动特性的优点 126

3.4.3前掠翼的不足 128

第4章 隐身飞行要求和空气动力的综合设计 130

4.1减缩雷达散射截面积（RCS）的空气动力外形设计措施 131

4.2飞机隐身特性要求与飞行性能要求的综合和折中 134

4.3气动/隐身一体化设计的数值计算简介 136

第5章 进排气系统及其与飞机的一体化设计 141

5.1一体化的含义 141

5.2超声速战斗机中一体化设计的重要性 141

5.2.1民用机和军用机发动机布局上的差异 141

5.2.2推进系统推力贡献的变化 141

5.2.3推力矢量化与超机动性相结合的要求 142

5.3进气道系统与前机身的一体化设计 142

5.3.1进气道的形式和位置 142

5.3.2前机身流场的设计 143

5.3.3 F-15的进气道设计 145

5.3.4 F-16的进气道设计 146

5.3.5未来飞机进气道系统设计中应考虑的新因素 149

5.3.6“无隔道式超声速进气道”概念及其应用 149

5.4后机身、尾翼和喷管系统的一体化设计 151

5.4.1减小尾部阻力 151

5.4.2后体的综合设计 152

5.5内流以及内外流一体化分析与设计的数值模拟 153

5.5.1飞机/进气道的计算 153

5.5.2三维扩压管道——S形管道的数值计算 156

5.5.3喷流与后体相互作用的计算 159

第6章 推力矢量化、机敏性和超机敏性 160

6.1飞机的机敏性 160

6.2推力矢量化 162

6.2.1推力矢量化的优点 162

6.2.2过失速技术 162

6.2.3完全矢量化飞机 162

6.2.4部分矢量化飞机 164

6.2.5 PST机动动作的设计及空战作战方案的研究 164

6.2.6实现推力矢量化飞机的困难 166

第7章 大迎角非定常空气动力的数学模型 168

7.1问题的提出 168

7.2空气动力的暂态函数模型 169

7.3状态-空间变量模型 169

7.3.1非定常带有后缘分离的翼型绕流 169

7.3.2具有涡破裂的三角翼的非定常流动 171

7.3.3全机的非定常运动 172

第8章 数值模拟方法是未来飞机设计的重要工具 173

8.1数值模拟在未来飞机设计与研制中的地位和作用 173

8.2程序验证与确认是使数值模拟方法成为有效计算工具的必要条件 175

8.3计算流体力学的发展和展望 176

8.3.1三维非定常黏流的模拟 177

8.3.2多学科耦合及优化设计是CFD的未来发展方向之一 177

8.3.3发展大规模并行机的有效计算方法 177

第9章 无人机的空气动力设计 179

9.1高空长航时UAV 179

9.1.1翼型的研制 179

9.1.2三维机翼的设计 185

9.2 UCAV的空气动力及布局研究 190

9.3 SUAV/MAV 192

9.3.1低雷诺数流动特点 192

9.3.2低雷诺数时固定翼的定常空气动力 193

9.3.3拍动翼推进的非定常空气动力 195

9.3.4气动设计的讨论 197

参考文献 200

下篇 民用机篇 205

第10章 未来民用机发展的趋势 205

10.1亚声速民用机的发展 205

10.1.1新世纪对民用机的需求和剧烈的市场竞争 205

10.1.2发展亚声速民用机的主要方向 212

10.1.3民用机的一种新型布局形式——翼身融合体（BWB）飞机 214

10.1.4高经济性静音中航程民用机设计方法讨论 226

10.1.5其他可能的布局形式 236

10.2超声速民用机的需求和发展 237

10.3应对未来空中运输持续增长的挑战，注重基础研究，发展新概念和新技术 238

第11章 先进翼型的不断发展 241

11.1超临界翼型 241

11.2扩张后缘翼型 245

第12章 亚声速干线飞机三维机翼的设计 249

12.1提高Ma·Kmax值 249

12.2减小阻力 250

12.3三维机翼气动布局的基本要求 251

12.4几点讨论 252

12.4.1翼型的影响 252

12.4.2最大厚度沿展向分布的（非线性）影响 253

12.4.3几何扭转角（？）沿展向分布的影响 255

12.5三维机翼的一种气动设计方法 257

12.5.1对原B-737机翼的改进设计 258

12.5.2 A-7机翼的改型设计 264

12.5.3几点补充意见 269

12.5.4机翼的多点优化设计 270

12.5.5民用机机翼设计举例 270

12.5.6基于高可信度分析的多学科优化设计（MDO）方法的探讨 274

第13章 机翼翼梢减阻装置的应用 282

13.1翼梢小翼 283

13.2翼梢帆片 286

13.3剪切翼梢 287

13.4不同形式翼梢装置的比较 287

13.5翼梢小翼的设计 288

第14章 减小发动机短舱/机体间的干扰阻力 297

14.1引言 297

14.2发动机短舱的翼吊方式 298

14.3发动机短舱的尾吊方式 300

14.4数值计算方法简介 301

14.4.1 PANAIR的应用 302

14.4.2全位势方法的应用 304

14.4.3 TRANAIR的优化设计 307

14.4.4欧拉/N-S方程方法和应用 308

14.5机体/发动机综合设计方法 311

14.5.1引言 311

14.5.2综合设计中需要考虑的问题 312

14.5.3综合设计方法 313

第15章 减小摩擦阻力 320

15.1层流化技术 320

15.2湍流减阻——小肋减阻 323

第16章 增升装置外形的空气动力 326

16.1引言 326

16.2机翼的前缘增升装置 327

16.3机翼的后缘增升装置 329

16.4增升装置外形流动的物理特征 329

16.5分析增升装置外形气动特性的数值（RANS方程）方法 333

16.5.1二维计算 336

16.5.2三维计算 338

16.5.3 EUROLIFT I和EUROLIFT 340

16.6增升装置的设计 348

16.6.1多段翼型的设计 349

16.6.2发动机短舱/挂架与增升装置缝、襟翼间的气动干扰 352

16.6.3产生高升力与满足失速特性（固有的低头和适度的滚转倾向）之间的折中 352

16.6.4工程设计方法的研究 352

第17章 高速民航机 359

参考文献 368

附录 376

附录A面元法及其在飞机设计中的应用 376

A.1引言 376

A.2经典面元法 376

A.3第二代面元法 379

A.4涡格法（Vortex lattice method， VLM） 381

A.5面元法的应用 381

A.6结束语 387

参考文献 387

附录B跨声速流计算中的全位势方法 391

B.1引言 391

B.2流场分析计算的全位势方法 391

B.2.1跨声速流动的特点和全位势方法的等熵与无旋假设 391

B.2.2全位势方程 392

B.2.3边界条件和环量 394

B.2.4守恒方程和非守恒方程 394

B.2.5跨声速小扰动（TSD）方程 395

B.2.6全位势方程的数值方法 396

B.2.7近似因子分解迭代格式 403

B.2.8 SLOR、ADI和AF2的收敛特性 406

B.2.9多重网格方法 408

B.2.10曲线坐标和复杂外形的全位势方法应用 409

B.2.11 TRANAIR 412

B.2.12 BLWF 415

B.2.13黏流/无黏流相互作用技术 419

参考文献 422

附录C现代计算流体力学方法——欧拉/N-S方程解方法 428

C.1引言 428

C.2欧拉/N-S方程的数值计算方法 429

C.2.1中心型差分格式 430

C.2.2迎风型通量分裂方法 432

C.2.3中心差分型格式和通量差分裂格式的数值算例比较 437

C.2.4 TVD格式 439

C.2.5基本无振荡——ENO格式 447

C.2.6 AUSM+的迎风型格式 447

C.2.7求解非定常流的多重网格双时间步长方法 450

C.2.8航空工业界目前使用的CFD软件 453

C.2.9高阶格式 455

C.3网格生成技术 468

C.3.1复杂外形的结构网格生成 469

C.3.2非结构网格——三角化方法 471

C.3.3非结构六面体网格 473

C.3.4自适应笛卡儿网格 474

C.3.5黏性层网格 474

C.3.6网格生成方法小结 475

C.3.7计算网格应用举例 477

C.4湍流流动的模拟 484

C.4.1湍流流动的各种模拟方法 484

C.4.2湍流模型的讨论 491

C.5提高RANS软件计算效率及扩充其使用功能的方法 502

C.5.1多重网格方法 502

C.5.2预处理方法 506

C.6 CFD面临的两个挑战性的计算 512

C.6.1巡航构形阻力的计算 512

C.6.2三维高升力外形的最大升力计算 522

C.7结束语 524

参考文献 525

附录D设计计算方法和工具 539

D.1间接方法 539

D.2反设计方法 540

D.3数值优化方法 544

D.3.1梯度法 544

D.3.2伴随方程方法 549

D.3.3遗传算法 552

参考文献 557

结束语 560