面向工程的可压缩边界层转捩预测软件的开发

The technology of aeronautics and astronautics is related to the national economy and security. Computational fluid dynamics (CFD) has become the research and development tool of aerospace vehicles, in which one of the prerequisites to precisely obtain the important parameters, such as the lift, the drag and the heat flux distribution, is the accurate prediction of boundary layer transition location. Research and development institutions urgently require a practical and simple transition prediction software. In recent years, transition prediction method has a great progress in theory; however, transition prediction software has obvious shortcomings in the engineering application and has many aspects to be improved. Orienting to the engineering application, this project improves the eN method by taking into account the factors of receptivity and transition mechanism, then integrates, develops and optimizes the existing software by combining with the relative basic theories of transition prediction to form a set of practical, fully automatic, efficient, learnable, friendly software of transition prediction for compressible boundary layers with independent intellectual property rights, and promotes and applies this software to research and development institutions to provide a powerful tool and technical support for the development of our new aerospace vehicles.

航空航天技术关系到国家的经济及安全。计算流体力学已经成为航空航天飞行器的研制手段，精确给出升力、阻力及热流分布等重要参数的前提之一是准确预测飞行器边界层的转捩位置。研发单位迫切需要实用、简便的转捩预测软件。近年来，转捩预测方法在理论上取得了较大的进展，然而转捩预测软件在向工程应用推广方面还存在明显的不足，很多方面有待于提高。本项目以面向工程应用为目的，考虑感受性和转捩机理等因素，对eN方法进行改进；结合转捩预测相关的基础理论，在现有转捩预测软件的基础上，进行集成、开发及优化，形成一套具有我国自主知识产权的实用、全自动、高效、具有学习能力、用户友好接口的可压缩边界层转捩预测软件，并将该软件向研发单位推广和应用，为我国航空航天新型飞行器的研制提供一柄利器和技术支持。

航空航天技术关系到国家的经济及安全。边界层转捩的准确预测是精确给出飞行器升力、阻力及热流等重要参数的前提之一，也是新一代飞行器气动研制和热防护设计的瓶颈之一。. 本项目以高超声速飞行器转捩精准预示需求为牵引，开展了面向工程的边界层转捩预测方法及其软件开发研究。首次提出了衰减波的概念，突破了扰动与斜激波作用时在实数空间求解的束缚，建立了斜激波前后扰动波的解析关系式；证实了第一/第二模态是二次失稳模态的起源，回答了二次失稳模态从那来的问题，为确定二次失稳模态的初始幅值奠定了理论基础；提出了有限雷诺数下局部突变流的稳定性分析方法，发展了流动稳定性理论，将其从平行流推广到局部突变流，拓展了转捩预测的流动范围，为复杂外形飞行器的转捩预测提供了理论基础；提出了守恒的广义增长率和高效的积分方法，建立了三维边界层扰动演化的精确预测方法，提高了转捩预测在三维边界层中的预测能力，为转捩预测的工程应用奠定了理论基础；建立了感受性、特征值、转捩判据等一系列数据库，在转捩预测中考虑了感受性，并基于理性的转捩判据判断转捩位置，拓展了转捩预测方法；开发了一套面向工程的高效、自动的边界层转捩预测软件，填补了国内空白，解决了工程应用中流场特征参数辨识难、转捩预测周期长、方法可靠性低等问题。. 本项目的研究成果在航天一院等工程单位进行了推广和应用，服务国家重大需求，在多个工程和型号中应用取得了很好的效果，科学解释了飞行器转捩机理、准确预测了飞行器转捩位置、定量给出了飞行器转捩高度，得到应用部门的高度认可。本项目为我国航空航天新一代飞行器的研制提供了一柄利器和技术支持，推动了高超声速飞行器气动预示能力的进一步提升。