更准确、更精确、更高效——高超声速流动数值模拟研究进展

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJan．252015V01．36No1120．134ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn更准确、更精确、更高效——高超声速流动数值模拟研究进展唐志共，张益荣，陈坚强*，中国空气动力研究与发展中心，绵阳毛枚良，张毅锋，刘化勇621000摘要：从准度、精度和效率3方面回顾了近几十年来高超声速流动数值模拟研究的进展。在物理模型方面，介绍了高超声速数值模拟中高温气体效应、稀薄气体效应以及湍流效应

2、的建模与模拟，基于雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程重点对现阶段较为关注的高超声速边界层转捩的模式理论研究进行了介绍。在空间离散算法方面，主要介绍了高超声速数值模拟中常用的二阶精度迎风格式以及高阶精度格式的发展及其应用。在时间推进方面，主要回顾了隐式时间推进方法的发展及其应用。在误差和不确定度估计方面，主要介绍了其概念、来源以及常用的分析方法，同时给出了迭代误差估计、Richardson外插法以及敏感性导数方法等初步研究结果。最后，讨论了高超声速流动数值模拟中下一步需关注的问题。关键词：高超声速流动；数值模拟；物理建模；数值方法；误差

3、；不确定度中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)01—0120—15计算流体力学(CFD)在自诞生至今的近百年时间里，随着物理模型、数值算法和计算机软硬件水平的不断发展而迅速崛起，成为飞行器研制中气动布局设计及数据库建设的重要手段。与此同时，由于高超声速飞行器具有的特殊军事意义及经济、科技价值，世界各国纷纷将高超声速飞行器的研制列入重点发展计划[1]。以美国为例，其在技术发展水平和人员、资金投入力度等方面都走在世界最前列，先后提出了一系列高超声速发展计划，包括20世纪60年代的X-15验证机，1986年的国家空

4、天飞机计划(NASP)，2001年提出的航空航天倡议(NAI)，2002年形成的高超声速飞行计划(HyFly)，2003年提出的FALCON(ForceApplicationandLaunchfromCONtinentalUnit—edStates)计划(HTV和HCV)，以及最近几年发展迅速的X-37B和X-51A等，如图1所示，在高超声速吸气式发动机、数值模拟物理化学建模、热防护以及数据再利用等方面积累了丰富的经验，在诸多领域取得了举世瞩目的成就。纵观这一系列高超声速计划的发展历程，正是其中所暴露出来的问题，才不断推动着高超声速技术，特别是数值模

5、拟技术的发展。例如，X一15在试验飞行过程中由于严重的激波／激波和激波／边界层干扰导致冲压发动机整流罩的损毁，如图2所示，使人们认识到激波干扰问题的复杂性和重要性，而航天飞机机体襟翼俯仰力矩配平异常，更是直接推动了真实气体效应的研究，这些都促进了数值模拟手段的发展。随着高超声速飞行器的发展，其任务越来越复杂，飞行包线越来越宽，对飞行器机动性和防热收稿日期：2014—07—25；退修日期：2014—08—26；录用日期：2014—09—15；网络出版时间：2014．09．1616：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．

6、7527／$1000·689320140231．htmI基金项目：国家自然科学基金(11372342)*通讯作者Tel：0816-2463011E-mail：jq-chen@263．net嘲用搭武；TangZG．ZhangYR，ChertJQ，etalMorefidelity。moreaccurate，moreefficient--progressonnumericalsimulationsforhy—personicflowEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(I)：120—134．唐志共。张

7、盏荣．睬坚强．等更准确．更精确．更高效——高超声速流动数值模拟研究进展[J]i航空学报，2015．36(1)：120．134唐志共等：更准确、更精确、更高效高超声速流动数值模拟研究进展121～fblVentralstablllzer图2XIj飞机Fig．2Xl5aircraft等都提出了更高要求。不管是利用CFD完成低马赫数风洞数据到高马赫飞行数据的外推，还是直接利用CFD进行高空高马赫数飞行状态的模拟，都对高超声速数值模拟技术的可信度提出了更高要求。从实验观察到的物理现象到数学形式的物理模型，再到数值模拟的离散方程、边界条件以及辅助模型等，CFD与

8、真实情况之间存在诸多假设、简化和近似。由此，准度和精度的评估就成为可信度研究中最重要的两个方面，对于高超声速