高超声速飞行器飞行性能评估系统设计与实现

摘要

随着计算机和计算技术的发展，CFD技术逐渐发展成熟，并开始应用到工程实践中，目前采用CFD方法进行数值模拟已逐渐成为飞行器设计的一个重要手段。西方发达国家非常重视CFD技术的研究，CFD计算方法和计算软件日趋成熟；而国内在CFD计算方法、计算软件和计算平台研制等方面仍存在着明显的差距。同时，随着飞行器复杂程度的不断增大，基于大规模并行计算机进行并行计算是必然趋势。
　　本文以CFD并行计算方法和CFD软件技术为切入点，旨在建立适用于高超声速飞行器飞行性能评估的并行计算环境，以现有的飞行性能研究成果为基础，集成已有的气动力计算、气动热计算、烧蚀/侵蚀计算、飞行稳定性计算和飞行轨道计算等子系统，并通过对部分子系统并行化改造和集成，建立飞行器飞行性能评估系统，具有重要的理论意义和实际应用价值。本文的主要研究成果及创新点如下：
　　（1）在CFD计算环境、CFD计算技术以及CFD软件系统建设等方面，广泛研究了国内外学术界和产业界的发展现状，并对各种技术和系统进行了比较。总体来说，国外CFD计算软件功能齐全、求解速度快、资源耗费少，通用性和易用性好。而国内CFD软件自主研发能力较弱，软件往往可扩展性较差，计算精度和计算速度都有待进一步的提高。
　　（2）对飞行性能评估系统进行了总体设计，并对气动力与飞行轨道计算子系统、气动热与烧蚀/侵蚀计算子系统、动态稳定性参数计算子系统的集成与耦合以及小规模并行计算平台、图形交互系统分别进行了详细设计。在上述设计的基础上，进行了飞行性能评估系统的程序实现，应用于实际的工程中。
　　（3）为了缩短 CFD计算时间，对飞行性能评估系统中的部分业务程序进行了并行化改造，并尽可能提高并行计算效率，缩短计算时间。并以气动力/气动热计算为例，将区域分解并行方法用于结构网格的对接分区，依托结构网格求解器，在并行计算平台上，针对NACA0012翼型算例进行了并行计算性能的测试与分析，取得了较好的效果。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 相关研究

1.3 论文的主要工作和组织结构

第二章 理论基础

2.1 气动力计算方法

2.2 气动热计算方法

2.3 动态稳定性参数计算方法

2.4 烧蚀/侵蚀计算方法

2.5 飞行轨道计算方法

2.6 本章小结

第三章 高超声速飞行器飞行性能评估系统总体方案设计

3.1 评估系统的总体设计

3.2 气动力与飞行轨道计算子系统设计方案

3.3 气动热与烧蚀/侵蚀计算子系统设计方案

3.4 动态稳定性参数计算子系统设计方案

3.5 小规模并行计算平台设计方案

3.6 图形交互系统的设计方案

3.7 本章小结

第四章 高超声速飞行器飞行性能评估系统实现

4.1 评估系统的运行环境及开发工具

4.2 气动力/气动热计算子系统的实现

4.3 动态稳定性参数计算子系统的实现

4.4 飞行轨道计算子系统的实现

4.5 烧蚀/侵蚀计算子系统的实现

4.6 本章小结

第五章 基于NACA0012翼型结构网格的CFD并行模拟

5.1 引言

5.2 控制方程和离散方法

5.3 并行编程模型和并行性能评价

5.4 并行策略

5.5 NACA0012翼型并行模拟

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

主要参研项目