航空渦扇發動機多目標多學科設計優化方法

第1章 航空發動機以及設計方法的發展
1.1 渦噴、渦扇以及變迴圈發動機發展的簡況
1.2 多目標多學科設計優化方法的提出及其進展
1.3 多目標多學科設計優化問題面臨的機遇與挑戰
1.4 本書的主要內容

第一篇 發動機設計中的綜合集成方法及“軟系統”評價
第2章系統學的思想以及綜合集成方法
2.1 系統科學和系統學的創建及其基本發展框架
2.2航空發動機的研製與系統工程之間的關聯
2.3錢學森綜合集成方法及其優化策略
2.4發動機的多級優化策略以及CSD方法
第3章系統評價指標以及“軟系統”評價的幾種方法
3.1 發動機系統工程中的“硬系統”和“軟系統”
3.2系統評價的主要指標
3.3航空發動機性能評價的指標
3.4 “軟系統”評價的幾種方法

第二篇 三元流動理論的基礎以及幾種演算法的典型算例
第4章葉輪機械三元流動理論的基礎
4.1 場論與張量計算基礎
4.2 物理場在兩類坐標系中的轉換
4.3 積分型與微分型三元流動理論的基本方程
4.4 熱力學特徵函數以及函數行列式
4.5絕對座標系中N-S方程組的強守恆與弱守恆型
4.6相對座標系中N-S方程組及廣義Bernoulli方程
4.7吳仲華的兩類流面交叉反覆運算及三元流動理論
4.8 對一組含轉子焓與熵方程組的討論
4.9三維空間中兩類流面的流函數主方程以及擬流函數
第5章 葉輪機械中的兩類流面反覆運算與三維直接解法
5.1 葉輪機械氣動計算與設計的發展進程
5.2 S1流面的基本方程及跨聲流函數方程的數值解
5.3 S2流面的基本方程以及跨聲速S2流面的數值解
5.4 兩類流面跨聲速准三元的反覆運算解
5.5 兩類流面跨聲速全三元的反覆運算解
5.6 葉輪機械定常與非定常計算的直接解法
5.7 可壓縮湍流的RANS與DES分析法
5.8 小波多分辨奇異分析方法及其典型算例
5.9 流動轉捩問題以及RANS和LCTM的耦合求解

第三篇 發動機設計的現代優化理論及統籌優化方法
第6章 確定性優化的理論與演算法
6.1 典型確定性多目標優化決策模型存在的問題
6.2系統優化與子系統之間的關係
6.3設計空間中常用的四類搜索策略
6.4 高維多目標優化的PCA-NSGAⅡ降維演算法
第7章 不確定性優化的理論與方法
7.1 Chebyshev問題的單目標規劃處理
7.2隨機多目標規劃的期望值模型
7.3模糊多目標線性規劃和非線性規劃的模型與解法
7.4 三大類多目標數學規劃模型的對比與分析
第8章 統籌優化方法及統計試驗設計方法
8.1 華羅庚的統籌優化方法以及產生的重大影響
8.2 單變數的一維搜索和多變數函數的尋優搜索方法
8.3 正交設計、均勻設計以及序貫均勻設計
8.4 基於試驗設計與回應面模型的葉型尋優GPAM策略

第四篇 渦扇發動機的現代設計方法以及多目標協同優化
第9章 渦扇發動機設計狀態參數選擇的基本分析
9.1 幾代渦扇發動機的主要性能參數
9.2 AAF的任務剖面及AAF設計點的選擇
9.3 四種典型發動機的理想熱力迴圈分析
9.4 渦扇內外涵道間迴圈功的最佳分配
9.5 混合排氣加力渦扇設計點的熱力計算與分析
9.6 分別排氣渦扇設計點的熱力分析
第10章 發動機非設計點性能計算的幾種方法
10.1 基於部件性能的發動機特性通用計算方法
10.2 混合排氣渦扇發動機特性的近似計算方法
10.3分別排氣渦扇發動機特性的近似計算方法
第11章 壓氣機/風扇的氣動設計基礎和設計優化
11.1 輪緣功的多種表達形式
11.2 壓氣機中絕熱效率與多變效率間的關係
11.3 氣動設計中增壓比和效率的選擇
11.4 軸流壓氣機/風扇的初步氣動設計
11.5 壓氣機部件的設計優化
第12章 燃燒與傳熱的理論基礎以及主燃燒室的氣動設計
12.1 氣動力學突躍面的分類以及一維燃燒波的分析
12.2 多組元氣相粘性反應流的基本方程組
12.3 單相與兩相可壓縮湍流燃燒的大渦模擬技術
12.4 模擬燃燒問題的非定常高解析度高精度演算法
12.5 燃燒室氣動設計的幾個基礎問題
第13章 渦輪部件的氣動設計以及內部流動的控制
13.1 渦輪葉片的幾種造型方法
13.2 葉片的彎、掠、扭三維複合造型技術
13.3 葉型負荷以及葉柵四種效率的計算
13.4 高壓渦輪的氣動特點以及求解的基本方程
13.5 渦輪氣動損失模型和冷氣摻混損失模型
13.6 寂靜效應與時序效應以及工程應用
13.7 低維設計空間中渦輪造型與氣動參數的篩選
13.8 渦輪部件氣動初步設計的全過程
第14章 加力燃燒室的氣動設計與振盪燃燒的抑制
14.1 描述加力燃燒室的主要參數
14.2 火焰穩定器的穩定判據
14.3 三種典型火焰穩定器
14.4 振盪燃燒的機理分析與抑制措施
14.5 主燃燒室和加力燃燒室污染物及其分析
14.6 帶加力燃燒室的渦噴發動機性能計算
14.7 渦輪—加力燃燒室—尾噴管之間的匹配
14.8 湍流燃燒診斷的3種高精度方法
第15章 尾噴管中輻射輸運方程的計算和噴流雜訊的高效演算法
15.1 均勻與非均勻折射率介質中的輻射輸運方程
15.2 輻射輸運方程的有限體積法及其與能量方程的耦合求解
15.3 全光譜K分佈輻射輸運方程的求解以及典型校核算例
15.4 大梯度時混合氣體的MSMG全光譜K分佈方法
15.5 降低飛行器和尾噴管光輻射的幾種主要途徑
15.6 K-ε模型和LRR-ω雷諾應力模型
15.7 伴隨Green函數法及其求解中的關鍵問題
15.8 湍流噴流各向異性噪音源的物理建模
第16章 航空發動機部件的優化以及整機的優化策略
16.1 參數化設計空間以及Nash系統分解法
16.2 改進的Pareto遺傳演算法
16.3 Nash-Pareto策略
16.4 Nash-Pareto-RSOW演算法
16.5 Nash-Pareto-RS演算法
16.6 連續型或離散型伴隨方法的構建過程
16.7 混合不確定性條件下的優化策略和關鍵演算法
16.8 航空發動機整機優化的策略和主要框圖
參考文獻

本書共分四篇16章系統地給出了從航空發動機主要部件（即壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管）到發動機整機的設計優化過程，給出了進行確定性多學科設計優化和不確定性多學科設計優化時所需要的現代優化理論和統籌優化方法。特別強調了華羅庚先生的統籌優化方法和統計試驗設計方法，強調了錢學森先生的系統科學，尤其是系統學的思想和綜合集成方法。在進行航空發動機部件和整機的流場計算與氣動設計中，強調了吳仲華先生的S1與S2流面理論，強調了兩類流面間的交叉反覆運算，強調了從低維設計空間到高維設計空間中吳先生的三元流理論所發揮的重大作用。強調了Jameson提出的伴隨方法在進行葉片的彎、掠、扭三維複合造型、機匣端壁面的精細設計以及考慮寂靜效應、時序效應非定常設計時所起到的十分關鍵的作用。

另外，考慮到廣大讀者，尤其是在校的博士生、碩士生和高年級本科生，他（她）們迫切希望瞭解航空發動機設計與研製的全貌、迫切渴望瞭解發動機的結構和性能，全書給出了大量的計算曲線和結構、性能圖372幅、相關的重要結構與性能參數表格58張：書中還給出了國際上重要的學術專著和文獻951篇；更為重要的是，書中還給出了十分詳細的壓氣機、燃燒室、渦輪部件的設計步驟，給出了航空發動機整機設計優化的策略。此外，書中第15章還針對軍用航空發動機尾噴管紅外隱身的問題以及民用航空發動機尾噴管氣動雜訊的問題，給出了十分簡捷、高效的理論計算與預測方法。這些方法反映了當今這一領域的學術前沿，它為航空發動機尾噴管的氣動設計奠定了堅實的理論基礎。毫無疑問，這些十分寶貴的計算曲線和非常重要的參數表格以及這些難得的航空發動機設計優化步驟對提升和豐富讀者對航空發動機的理解與認識是十分必要的。在一部學術專著中，配有如此豐富的插圖與重要表格，給出如此具體的航空發動機重要部件的設計步驟，應該講目前在出版界還是極為罕見的。此外，本書還詳細分析與給出了進行發動機主要部件設計和發動機整機優化時可能會遇到的一些難點，這對建議與指明今後的改進與研究方向十分有益。

四位作者一致認為：航空發動機的設計優化應該具有兩層含義，一層是進行航空發動機本身的設計優化，其中包括確定性多學科設計優化和不確定性多學科設計優化的問題。另外，對於軍用發動機，還應該考慮其隱身性能；對於民用發動機，還應重視低污染、低噪音的研究。此外，還要注意開展對壓氣機喘振或失速的主動控制、壓氣機或渦輪葉尖間隙的主動控制、燃燒不穩定的主動控制等。另一層是對已經投入使用和飛行中的發動機要注意挖掘其自身的潛力，要針對傳統航空發動機在進行氣動設計時，為保證發動機在全飛行包線內最惡劣的工作點時能夠安全穩定地工作，由此確定了發動機的工作點和喘振裕度，這就設置了很大的安全裕度。正是這種設計理念，決定了在非最惡劣工作點時發動機的性能沒有全部發揮。因此在保證飛行安全的前提下，進行發動機的線上即時控制、大力發展智慧控制技術，開展線上性能尋優工作。四位作者一致強調指出：只有在完成了上述兩層設計優化的基礎上，這樣的航空發動機的性能才是最優的，它代表著未來航空發動機發展的主方向。

四位作者萬分感謝著名航空發動機專家、中國工程院院士、國務院學位委員會學科評議組成員、國家攀登計畫“能源利用中氣動熱力學前沿問題”專家委員會委員、北京航空航太大學能源與動力工程學院教授、博士生導師陳懋章先生在百忙中為本書寫序，這是對四位晚輩極大的鼓舞、提攜和鞭策。陳先生在本書序中寫道：“本書主要貢獻之一是將不確定性理論以及與此相關的概率論、可信性理論等引入設計系統，這些理論非常適合發動機的特點，發動機設計非常需要這些理論。這些理論的引入拓寬了科技工作者的理論視野，為將設計系統提高到一個新的高度提供了理論基礎。這是特別值得稱道的重要貢獻。”我們絕不辜負陳先生的希望，牢記博學篤志、格物明德的校訓，努力堅持致大盡微、家國天下的心懷，繼續加倍努力，更進一步踏踏實實地做好本職科研工作，為航空發動機的研製與發展盡心盡力、鞠躬盡瘁。另外，四位元作者還萬分感謝中國工程院院士、空軍裝備研究院總工程師甘曉華先生在百忙中為本書寫序。甘院士十分詳細的分析與指出了本書的三個創新亮點，高度讚揚了本書在拓寬航空發動機的設計內涵與發展航空發動機線上即時控制等方面所做出的重要貢獻。

四位作者十分感謝他們分別率領的團隊，感謝曾經幫助過他們的同事、同學以及長期支援他們工作的親人們；非常感謝機械工業出版社、本書責任編輯沈紅編審等，正是由於她（他）們一絲不苟的編輯與審核才使得這部讀者們急需的航空發動機設計優化方面的專著能夠早日與讀者見面；她（他）們辛勤的勞動，我們永記心間。

最後，四位作者還想說明：儘管幾位作者長期工作在中國科學院力學研究所和工程熱物理研究所，就在吳仲華先生和陳乃興先生的身邊工作，都具有幾十年從事發動機氣動熱力學方面的設計經驗，尤其是本書第一作者王保國在吳仲華先生、卞蔭貴先生和陳乃興先生的長期指導下在航空發動機內流和航天器外流的氣動熱力學領域積累了十分堅實的理論基礎，再加上他在原航空工業部和中國科學院直接參加過渦噴與渦扇兩大類型航空發動機的改型設計與研製、在中國航空研究院還進行過其它新型航空發動機的設計與研究工作。本書的另外三位作者黃偉光研究員、徐燕驥高工和譚春青研究員也一直參加多項航空發動機與地面燃氣輪機專案的改型與試驗工作，尤其是黃偉光和徐燕驥率領的中國科學院上海高等研究院燃氣輪機基地和上海新喆機電公司燃氣輪機基地以及譚春青任院長的中科合肥微小型燃氣輪機研究院，他們都具有很豐富的理論與實踐經驗，具有較完備的整機性能試車和部件實驗的設備平臺，能夠完成相關的車台和部件試驗。但由於國內外出版航空發動機設計方法與優化方面的專著太少，而且在國內外相關雜誌上發表的相關文章也不多，再加上我們才疏學淺、水準有限，儘管該書花費了近6年的時間去潛心撰寫，而且還採用了華羅庚先生一貫宣導的增強物理圖像、公式刪繁就簡的思想，採取了先易後難、畫龍點睛的總體寫作策略；堅持構建基礎紮實、結構嚴謹的體系框架，瞄準科技前沿；對於書中主要內容的安排與討論方式進行了反復地修改與調整，尤其是該書的整體框架目錄和本書的前言歷經了30餘次的修改，但仍感到不夠滿意。四位作者一致認為：該書是《人機系統方法學》的姊妹篇，是錢學森系統學思想在航空發動機設計領域中的一個具體應用，是錢學森先生宣導的綜合集成方法的一個實踐環節。因此在撰寫這部專著時，的確感到有相當大的難度，使得本書在寫作上仍存在著一定的局限性和階段性，對書中不妥、疏漏或錯誤之處，尚祈讀者不吝指正。

作者