飞行器气动优化理论与工程实践

本书系统阐述了飞行器气动外形优化设计与数值计算方法，围绕CFD数值模拟、气动分布快速预测模型、气动灵敏度分析、几何参数化方法、代理模型与变可信度建模等核心内容展开，融合传统理论与前沿数据驱动技术，构建了较为完整的气动优化理论与工程应用体系。全书共7章，涵盖GKS数值计算方法、连续伴随理论、贝塞尔与有理贝塞尔自由变形优化、改进高斯过程回归代理模型、ConvNeXt卷积预测模型等前沿关键技术，并结合NACA翼型、高超声速升力体等典型算例进行验证与应用展示。

国家自然科学基金重大研究计划“跨域变构非定常高精度高效空气动力学理论模型与计算方法”，92271204，负责人国家自然科学基金联合基金项目“临近空间拦截器多尺度多效应流动机理及全局优化方法研究”, U20B2007，参与人国家自然科学基金面上项目“耦合临近空间层流转捩不确定性的高超声速飞行器气动布局优化理论与方法”，KN20150319，负责人

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言/1
1.2 CFD数值模拟方法/3
1.3 气动分布快速预测模型/10
1.3.1 降阶预测模型/10
1.3.2 数据驱动的深度学习模型/11
1.3.3 基于变可信度数据的预测模型/13
1.4 气动优化关键技术/14
1.4.1 优化方法/14
1.4.2 几何参数化方法/23
1.4.3 代理模型/25
1.4.4 变可信度代理模型/27
1.5 本书内容安排/30
参考文献/31
第2章 气体动理论数值计算方法 39
2.1 GKS 数值计算方法/39
2.1.1 计算体系无量纲化/41
2.1.2 插值重构/41
2.1.3 界面分布函数构造与通量计算/41
2.1.4 初始化与边界条件/45
2.1.5 三维尖双锥算例验证/47
2.2 高超声速热力学非平衡GKS 方法/49
2.2.1 考虑平转振三温模型的气体动理论格式的构造/50
2.2.2 高超声速热力学非平衡GKS 拓展研究算例验证/55
2.3 高超声速转捩与湍流GKS 方法/60
2.3.1 湍动能紧耦合GKS 构建/60
2.3.2 高超声速转捩与湍流GKS 拓展研算例验证/66
参考文献/72
第3章 基于气动灵敏度分析的贝塞尔自由变形全局优化方法 75
3.1 连续伴随理论及气动灵敏度分析方法/75
3.1.1 伴随方法原理/75
3.1.2 连续伴随方程的推导/77
3.1.3 物面边界条件/86
3.1.4 连续伴随方程的数值求解/90
3.1.5 目标函数的物面灵敏度及梯度/96
3.1.6 连续伴随气动灵敏度计算实例/98
3.2 贝塞尔自由变形全局优化方法/104
3.2.1 参数化建模与网格更新/104
3.2.2 基于气动灵敏度和贝塞尔自由变形的气动外形参数化建模/108
3.2.3 基于代理模型的优化设计流程/110
3.2.4 NACA 0012翼型的跨声速气动减阻优化设计/113
参考文献/123
第4章 基于气动灵敏度分析的有理贝塞尔自由变形全局优化方法 127
4.1 有理贝塞尔自由变形全局优化方法/127
4.1.1 B 样条曲线与曲面/127
4.1.2 B 样条与贝塞尔函数的对比/131
4.1.3 有理贝塞尔函数/132
4.1.4 基于气动灵敏度的有理贝塞尔自由变形方法/132
4.1.5 参数化建模实例/134
4.1.6 NACA 0012 翼型的跨声速气动减阻优化设计/140
4.2 高超声速升力体飞行器前体激波控制与表面热流优化/143
4.2.1 优化设计问题/144
4.2.2 基于初始贝塞尔自由变形方法的升力体外形优化/147
4.2.3 基于气动灵敏度自由变形方法的升力体外形优化/153
参考文献/158
第5章 基于改进高斯过程回归的代理建模方法160
5.1 高斯过程回归/160
5.2 基于改进自动核构造算法的高斯过程回归/164
5.3 代理建模能力测试/168
5.4 优化算例验证/182
参考文献/190
第6章 基于变可信度数据的气动分布快速预测方法191
6.1 基于ConvNeXt 算子的卷积模型/191
6.2 结构网格变换与拼接方法/197
6.3 样本集准备/199
6.4 小样本气动分布预测能力验证/202
6.5 复杂来流条件下的外插泛化性验证/214
参考文献/220
第7章 融合气动分布信息的变可信度建模及优化应用222
7.1 基于改进高斯过程回归的变可信度建模/222
7.2 变可信度建模方法验证/225
7.3 外形设计中的气动分布预测/233
7.4 融合气动分布信息的变可信度建模方法/243
7.5 升力体气动优化应用/245
7.6 气动特性不确定性分析与稳健优化方法/251
7.6.1 不确定性与灵敏度分析方法/251
7.6.2 典型外形的气动特性不确定性和灵敏度分析/259
7.6.3 超临界翼型稳健优化/261
参考文献/264