A powerful new monograph from an aerodynamicist reviewing modern conventional aerodynamic approaches, this volume covers aspects of subsonic, transonic and supersonic flow, inverse problems, shear flow analysis, jet engine power addition, engine and airframe integration, and other areas, providing readers with the tools needed to evaluate their own ideas and to implement the newer methods suggested in this book.
Table of ContentsPreface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1. Basic Concepts, Challenges and Methods . . . . . . . . . 1
1.1 Governing Equations - An Unconventional Synopsis . . . . 1
1.2 Fundamental Analysis -- or Forward Modeling --
Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Basic Inverse -- or Indirect Modeling -- Ideas . . . . . . . . 15
1.4 Literature Overview and Modeling Issues . . . . . . . . . . . 20
1.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2. Computational Methods: Subtleties, Approaches and
Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1 Coding Suggestions and Baseline Solutions . . . . . . . . 33
2.1.1 Presentation Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Programming Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.3 Model Extensions and Challenges . . . . . . . . . . . 36
2.2 Finite Difference Methods for Simple Planar Flows . . . 39
2.2.1 Finite Differences - Basic Concepts . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Formulating Steady Flow Problems. . . . . . . . . . . 45
2.2.3 Steady Flow Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Wells and Internal Boundaries . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.5 Point Relaxation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.6 Observations on Relaxation Methods . . . . . . . . . . 64
2.3 Examples - Analysis, Direct or Forward Applications . . 75
2.3.1 Example 1 - Thickness Solution, Centered Slit
in Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.2 Example 2 - Half-Space Thickness Solution . . . . . 91
2.3.3 Example 3 - Centered Symmetric Wedge Flow. . . . 98
2.3.4 Example 4 - General Solution with Lift,
Centered Slit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.5 Example 5 - Transonic Supercritical Airfoil with
Type-Dependent Differencing Solution, Subsonic,
Mixed Flow and Supersonic Calculations . . . . . . . 119
2.3.6 Example 6 - Three-Dimensional, Thickness Only,
Finite, Half-Space Solution. . . . . . . . . . . . . . . . 129
2.4 Examples - Inverse or Indirect Applications . . . . . . . . 138
2.4.1 Example 1 - Constant Pressure Specification and
Symmetric Thin Ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.4.2 Example 2 - Inverse Problem, Pressure Specification,
Centered Sit, Trailing Edge Closed vs Opened . . . . 145
2.4.3 Example 3 - Inverse Problem, Pressure Specification,
Three-Dimensional Half-Space, Closed Trailing Edge,
Nonlifting Symmetric Section . . . . . . . . . . . . . . 158
3. Advanced Physical Models and Mathematical
Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1 Nonlinear Formulation for Low-Frequency Transonic
Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.1.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.1.3 Discussion and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.2 Effect of Frequency in Unsteady Transonic Flow . . . . . 176
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.2.2 Numerical Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2.4 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.3 Harmonic Analysis of Unsteady Transonic Flow . . . . . 182
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.3.2 Analytical and Numerical Approach . . . . . . . . . . 183
3.3.3 Calculated Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.3.4 Discussion and Closing Remarks . . . . . . . . . . . . 185
3.3.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.4 Supersonic Wave Drag for Nonplanar Singularity
Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.4.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.4.3 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.4.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.5 Supersonic Wave Drag for Planar Singularity
Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.5.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.5.3 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.5.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.6 Pseudo-Transonic Equation with a Diffusion Term . . . 208
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.6.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.6.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.6.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.7 Numerical Solution for Viscous Transonic Flow . . . . . 213
3.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.7.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.7.3 Numerical Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
3.7.4 Sample Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.7.5 Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.7.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.8 Type-Independent Solutions for Mixed Subsonic and
Supersonic Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.8.2 Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.8.3 Numerical Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.8.3.1 Horizontal Line Relaxation. . . . . . . . . . . 223
3.8.3.2 Vertical Column Relaxation . . . . . . . . . . 224
3.8.4 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
3.8.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
3.9 Algorithm for Inviscid Compressible Flow Using the Viscous
Transonic Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.9.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.9.3 Sample Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
3.9.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.9.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.10 Inviscid Parallel Flow Stability with Nonlinear Mean
Profile Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
3.10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.10.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.10.3 Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . 239
3.10.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
3.11 Aerodynamic Stability of Inviscid Shear Flow Over
Flexible Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.11.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.11.3 Specific Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.11.4 Discussion and Concluding Remarks . . . . . . . . . 247
3.11.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.12 Goethert-- Rule with an Improved Boundary
Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
3.12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
3.12.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.12.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.12.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.13 Some Singular Aspects of Three-Dimensional Transonic
Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3.13.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3.13.2 Discussion and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.13.3 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
4. General Analysis and Inverse Methods for Aerodynamic
Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.1 On the Design of Thin Subsonic Airfoils . . . . . . . . . . 264
4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.1.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.1.3 First-Order Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.1.4 Second-Order Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.1.5 Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.1.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.2 Airfoil Design in Subcritical and Supercritical
Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.2.2 Streamfunction Formulation . . . . . . . . . . . . . . . 278
4.2.3 Numerical Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
4.2.4 Calculated Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
4.2.5 Discussion and Closing Remarks . . . . . . . . . . . . 285
4.2.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
4.3 Direct Approach to Aerodynamic Inverse
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.3.2 Theory and Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
4.3.2.1 Constant Density Planar Flows . . . . . . . . 295
4.3.2.2 Constant Density Flows Past Three-Dimensional
Finite Wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
4.3.2.3 Compressible Flows Past Finite Wings . . . 301
4.3.2.4 Flows in Fans and Cascades . . . . . . . . . . 302
4.3.2.5 Axisymmetric Compressible Flows . . . . . 303
4.3.3 Sample Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
4.3.4 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
4.3.5 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
4.4 Superpotential Solution for Jet Engine External Potential
and Internal Rotational Flow Interaction . . . . . . . . . 312
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
4.4.2 Rotational Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . 314
4.4.3 The Linearized Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
4.4.4 Application to Jet-Engine External Potential and Internal
Rotational Flow Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . 318
4.4.5 Calculated Results and Closing Discussion . . . . . . 321
4.4.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
4.5 Thin Airfoil Theory for Planar Inviscid Shear
Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
4.5.2 Planar Flows With Constant Vorticity . . . . . . . . . 330
4.5.2.1 Planar Flows: Inverse Problems . . . . . . . . 330
4.5.2.2 Planar Flows: Direct Formulations . . . . . . 331
4.5.2.3 Some Planar Analytical Solutions . . . . . . . 332
4.5.2.4 Analogy To Ringwing Potential Flows . . . . 333
4.5.2.5 Source and Vortex Interactions for
Ringwings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
4.5.3 Airfoils in General Parallel Shear Flow . . . . . . . . 335
4.5.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
4.5.5 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
4.5.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
4.5.7 Appendix I, Three-Dimensional Constant Density
Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
4.5.8 Appendix II, Planar Compressible Shear Flow
of a Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
4.6 Class of Shock-free Airfoils Producing the Same Surface
Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
4.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
4.6.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
4.6.3 Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . 351
4.6.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
4.7 Engine Power Simulation for Transonic Flow-Through
Nacelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
4.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
4.7.2 Analytical and Numerical Approach . . . . . . . . . . 356
4.7.3 Numerical Results and Closing Remarks . . . . . . . 357
4.7.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
4.8 Inviscid Steady Flow Past Turbofan Mixer Nozzles . . . 361
4.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
4.8.2 Analytical Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
4.8.3 Calculated Results and Closing Remarks . . . . . . . 363
4.8.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5. Engine and Airframe Integration Methods . . . . . . . . . 366
5.1 Big Picture Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
5.2 Engine Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
5.3 Engine Power Simulation Using Actuator Disks . . . . . . . 374
5.4 Mixers and Supersonic Nozzles . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
5.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Cumulative References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
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