热能工程研究院所，航空航天部门及院校、研究院所
重点北京、上海、沈阳、贵阳、成都、西安、株洲等发动机基地城市，以及东北、西南、西北航天航空研发基地等。
2019年国家出版基金项目
航空发动机的设计与制造是一项复杂的系统工程，本书针对航空涡扇发动机设计时遇到的确定性和不确定性问题，提出了一整套多目标多学科设计优化的新方法。
本书作者王保国教授，先后师从吴仲华院士、陈乃兴先生及卞荫贵先生；从事航空发动机内流和航天器外流的气动热力学科研与教学工作长达40余年；长期担任“流体力学”“工程热物理”“人机与环境工程”三个学科的首席教授和学科带头人。
其他三位作者黄伟光研究员、徐燕骥高工和谭春青研究员也主持和承担了多项国家863计划项目和国家973计划项目，且分别担任首席科学家和项目负责人。
北京航空航天大学陈懋章院士和空军装备研究院甘晓华院士分别为本书作序。
《航空涡扇发动机多目标多学科设计优化方法》一书分四篇16章深入探讨了航空发动机的设计方法，是献给工程热物理学家吴仲华先生和陈乃兴先生的一部学术专著，是《人机系统方法学》的姊妹篇。书中基于发动机气动热力学理论以及现代优化的数学方法，提出了一整套航空涡扇发动机考虑确定性和不确定性影响时多目标多学科设计优化的新框架，从这个意义上讲该书填补了我国在这一领域的学术空白。
本书可作为从事航空航天动力工程以及燃气轮机相关专业工程技术人员进行产品设计的指导用书，也可作为高等院校航空发动机以及燃气轮机专业研究生的学位课教材或者高年级本科生的教学参考书。
陈懋章院士序
现代先进航空发动机设计研制难度非常大，这主要是以下诸因素造成的：一方面发动机工作条件极端恶劣而要求又极高；另一方面，这是多学科、多领域高度交织、融合的产业，而其中一些学科的基本理论尚未得到基本的解决，例如发动机内部流体的流态主要是湍流，而湍流理论至今基本没有得到解决。由于这些原因，发动机技术先进国家过去的技术途径是投入大量人力、 物力、财力，进行大量试验研究，建立试验数据库，并以此为基础掌握经验关联规律，从而建立设计规范和准则。这是一条成功但很花钱的途径，至今仍是如此。所以航空发动机本质上是试验科学。
计算机的发明和计算科技的发展，逐步减轻了对试验的依赖，加快了研制进程，降低了风险，节约了成本，已成为非常强有力的工具，但至今未从根本上改变上述面貌。
发动机设计研制是一项复杂的系统工程。上述诸多问题在此工程中的表现主要是系统多环节的不确定性，例如湍流本质的非定常性所决定的流动性能特征的不确定性，飞行条件和大气条件的变化所引起的进气条件的不确定性（湍流度，压力、温度畸变度等），加工公差范围内的尺寸不确定性，材料性能的不确定性等等，对于具有诸多不确定性的对象按确定性理论进行设计，难以保证产品有最可能高的成功概率。
本书主要贡献之一是将不确定性理论以及与此相关的概率论、可信性理论等引入设计系统，这些理论非常适合发动机特点，发动机设计非常需要这些理论。这些理论的引入拓宽了科技工作者的理论视野，为将设计系统提高到一个新的高度提供了理论基础。这是特别值得称道的重要贡献。
本书内容新颖、丰富、详实，水平高，亮点多，系统性强，是几位既有很深学术造诣，又有丰富实践经验的学者呕心沥血的重要著作，我强烈推荐国家出版基金给予资助。
甘晓华院士序
航空发动机是飞机的“心脏”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，并被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。航空发动机的工作环境（即高温、高压、高转速、高载荷）十分恶劣，发动机的设计研制是一项复杂的系统工程，它涉及到气动热力、结构强度、燃烧传热、材料工艺、自动控制等众多基础学科和工程技术领域，科学技术综合要求极高，是衡量一个国家综合科技水平、工业基础实力和经济的重要标志。
在过去的几十年里, 国外一些航空工业强国都投入大量资金，建立了先进的试验研究基地，实施了一系列发动机研究计划，积累了雄厚的技术，使得发动机达到了今天的先进水平。与国外相比, 我国在航空发动机的研制方面还有相当大的差距，系统讲述航空发动机各部件和整机设计方法的书籍也不多见。在我国大力发展航空动力的今天，科技工作者亟需这方面的书籍出版。我认为该专著的主要创新亮点如下：
（1）本书的最大特点是将不确定性数学理论引入到航空发动机的设计，这富有极大的创新性。尽管我国已出版了多部航空发动机手册，但所讲内容均属于确定性设计的范畴。
（2）该书系统地讲述了航空发动机五大部件（即压气机（含风扇）、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管）设计中所遇到的气动热力学、燃烧学、传热学等基础理论与方法。书中通过典型算例讨论了压气机、燃烧室、涡轮等部件的设计步骤，给出了发动机整机设计优化的策略。这对正在从事航空发动机设计的科技工作者来讲具有重要的指导意义。
（3）书中拓宽了航空发动机设计的内涵，提出了两层设计优化的理念：一层是进行航空发动机本身的设计优化，其中包括确定性多学科设计优化和不确定性多学科设计优化问题；另一层是对已经投入使用和飞行中的发动机要注意挖掘自身的潜力，在保证飞行安全的前提下进行发动机的在线实时控制、大力发展智能控制技术，开展在线性能寻优工作。
上述这些理论与创新开阔了设计工作者的视野，为新型发动机的设计奠定了理论基础。本书的四位作者都是经验十分丰富的航空发动机和燃气轮机领域内的资深专家和学科带头人，均具有丰富的理论和实践经验。
中国工程院院士
空军装备研究院总工程师
序
前 言
第1章 航空发动机以及设计方法的发展
1.1 涡喷、涡扇以及变循环发动机发展的简况
1.2 多目标多学科设计优化方法的提出及其进展
1.3 多目标多学科设计优化问题面临的机遇与挑战
1.4 本书的主要内容
第一篇 发动机设计中的综合集成方法及“软系统”评价
第2章系统学的思想以及综合集成方法
2.1 系统科学和系统学的创建及其基本发展框架
2.2航空发动机的研制与系统工程之间的关联
2.3钱学森综合集成方法及其优化策略
2.4发动机的多级优化策略以及CSD方法
第3章系统评价指标以及“软系统”评价的几种方法
3.1 发动机系统工程中的“硬系统”和“软系统”
3.2系统评价的主要指标
3.3航空发动机性能评价的指标
3.4 “软系统”评价的几种方法
第二篇 三元流动理论的基础以及几种算法的典型算例
第4章叶轮机械三元流动理论的基础
4.1 场论与张量计算基础
4.2 物理场在两类坐标系中的转换
4.3 积分型与微分型三元流动理论的基本方程
4.4 热力学特征函数以及函数行列式
4.5绝对坐标系中N-S方程组的强守恒与弱守恒型
4.6相对坐标系中N-S方程组及广义Bernoulli方程
4.7吴仲华的两类流面交叉迭代及三元流动理论
4.8 对一组含转子焓与熵方程组的讨论
4.9三维空间中两类流面的流函数主方程以及拟流函数
第5章 叶轮机械中的两类流面迭代与三维直接解法
5.1 叶轮机械气动计算与设计的发展进程
5.2 S1流面的基本方程及跨声流函数方程的数值解
5.3 S2流面的基本方程以及跨声速S2流面的数值解
5.4 两类流面跨声速准三元的迭代解
5.5 两类流面跨声速全三元的迭代解
5.6 叶轮机械定常与非定常计算的直接解法
5.7 可压缩湍流的RANS与DES分析法
5.8 小波多分辨奇异分析方法及其典型算例
5.9 流动转捩问题以及RANS和LCTM的耦合求解
第三篇 发动机设计的现代优化理论及统筹优化方法
第6章 确定性优化的理论与算法
6.1 典型确定性多目标优化决策模型存在的问题
6.2系统优化与子系统之间的关系
6.3设计空间中常用的四类搜索策略
6.4 高维多目标优化的PCA-NSGAⅡ降维算法
第7章 不确定性优化的理论与方法
7.1 Chebyshev问题的单目标规划处理
7.2随机多目标规划的期望值模型
7.3模糊多目标线性规划和非线性规划的模型与解法
7.4 三大类多目标数学规划模型的对比与分析
第8章 统筹优化方法及统计试验设计方法
8.1 华罗庚的统筹优化方法以及产生的重大影响
8.2 单变量的一维搜索和多变量函数的寻优搜索方法
8.3 正交设计、均匀设计以及序贯均匀设计
8.4 基于试验设计与响应面模型的叶型寻优GPAM策略
第四篇 涡扇发动机的现代设计方法以及多目标协同优化
第9章 涡扇发动机设计状态参数选择的基本分析
9.1 几代涡扇发动机的主要性能参数
9.2 AAF的任务剖面及AAF设计点的选择
9.3 四种典型发动机的理想热力循环分析
9.4 涡扇内外涵道间循环功的最佳分配
9.5 混合排气加力涡扇设计点的热力计算与分析
9.6 分别排气涡扇设计点的热力分析
第10章 发动机非设计点性能计算的几种方法
10.1 基于部件性能的发动机特性通用计算方法
10.2 混合排气涡扇发动机特性的近似计算方法
10.3分别排气涡扇发动机特性的近似计算方法
第11章 压气机/风扇的气动设计基础和设计优化
11.1 轮缘功的多种表达形式
11.2 压气机中绝热效率与多变效率间的关系
11.3 气动设计中增压比和效率的选择
11.4 轴流压气机/风扇的初步气动设计
11.5 压气机部件的设计优化
第12章 燃烧与传热的理论基础以及主燃烧室的气动设计
12.1 气动力学突跃面的分类以及一维燃烧波的分析
12.2 多组元气相粘性反应流的基本方程组
12.3 单相与两相可压缩湍流燃烧的大涡模拟技术
12.4 模拟燃烧问题的非定常高分辨率高精度算法
12.5 燃烧室气动设计的几个基础问题
第13章 涡轮部件的气动设计以及内部流动的控制
13.1 涡轮叶片的几种造型方法
13.2 叶片的弯、掠、扭三维复合造型技术
13.3 叶型负荷以及叶栅四种效率的计算
13.4 高压涡轮的气动特点以及求解的基本方程
13.5 涡轮气动损失模型和冷气掺混损失模型
13.6 寂静效应与时序效应以及工程应用
13.7 低维设计空间中涡轮造型与气动参数的筛选
13.8 涡轮部件气动初步设计的全过程
第14章 加力燃烧室的气动设计与振荡燃烧的抑制
14.1 描述加力燃烧室的主要参数
14.2 火焰稳定器的稳定判据
14.3 三种典型火焰稳定器
14.4 振荡燃烧的机理分析与抑制措施
14.5 主燃烧室和加力燃烧室污染物及其分析
14.6 带加力燃烧室的涡喷发动机性能计算
14.7 涡轮—加力燃烧室—尾喷管之间的匹配
14.8 湍流燃烧诊断的3种高精度方法
第15章 尾喷管中辐射输运方程的计算和喷流噪声的高效算法
15.1 均匀与非均匀折射率介质中的辐射输运方程
15.2 辐射输运方程的有限体积法及其与能量方程的耦合求解
15.3 全光谱K分布辐射输运方程的求解以及典型校核算例
15.4 大梯度时混合气体的MSMG全光谱K分布方法
15.5 降低飞行器和尾喷管光辐射的几种主要途径
15.6 K-ε模型和LRR-ω雷诺应力模型
15.7 伴随Green函数法及其求解中的关键问题
15.8 湍流喷流各向异性噪声源的物理建模
第16章 航空发动机部件的优化以及整机的优化策略
16.1 参数化设计空间以及Nash系统分解法
16.2 改进的Pareto遗传算法
16.3 Nash-Pareto策略
16.4 Nash-Pareto-RSOW算法
16.5 Nash-Pareto-RS算法
16.6 连续型或离散型伴随方法的构建过程
16.7 混合不确定性条件下的优化策略和关键算法
16.8 航空发动机整机优化的策略和主要框图
参考文献
陈懋章院士（北京航空航天大学发动机专家，工程院院士）
本书主要贡献之一是将不确定性理论以及与此相关的概率论、可信性理论等引入设计系统，这些理论非常适合发动机特点，发动机设计非常需要这些理论。这些理论的引入拓宽了科技工作者的理论视野，为将设计系统提高到一个新的高度提供了理论基础。这是特别值得称道的重要贡献。
本书内容新颖、丰富、详实，水平高，亮点多，系统性强，是几位既有很深学术造诣，又有丰富实践经验的学者呕心沥血的重要著作，我强烈推荐国家出版基金给予资助。
甘晓华院士（空军装备研究院总工程师，工程院院士）
我认为该专著的主要创新亮点如下：
（1）本书的最大特点是将不确定性数学理论引入到航空发动机的设计，这富有极大的创新性。尽管我国已出版了多部航空发动机手册，但所讲内容均属于确定性设计的范畴。
（2）该书系统地讲述了航空发动机五大部件（即压气机（含风扇）、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管）设计中所遇到的气动热力学、燃烧学、传热学等基础理论与方法。书中通过典型算例讨论了压气机、燃烧室、涡轮等部件的设计步骤，给出了发动机整机设计优化的策略。这对正在从事航空发动机设计的科技工作者来讲具有重要的指导意义。
（3）书中拓宽了航空发动机设计的内涵，提出了两层设计优化的理念：一层是进行航空发动机本身的设计优化，其中包括确定性多学科设计优化和不确定性多学科设计优化问题；另一层是对已经投入使用和飞行中的发动机要注意挖掘自身的潜力，在保证飞行安全的前提下进行发动机的在线实时控制、大力发展智能控制技术，开展在线性能寻优工作。
上述这些理论与创新开阔了设计工作者的视野，为新型发动机的设计奠定了理论基础。本书的四位作者都是经验十分丰富的航空发动机和燃气轮机领域内的资深专家和学科带头人，均具有丰富的理论和实践经验。
我强烈推荐国家出版基金给予资助。
高歌教授（北京航空航天大学国防重点实验室副主任，教授）
我认为该著作的主要创新亮点如下：
（1）目前我国出版的航空发动机手册均属于确定性设计范畴，本书将不确定性现代数学理论：概率论（随机性）、可信性理论（模糊数学、灰色数学）、信赖性理论（粗糙性、粗糙稽集合）以及智能算法（三维小波多分辨奇异分析、Pareto多目标优化算法等）引入发动机设计，这在我国发动机的设计领域是很少看到的，它富有极大的创新性。
（2）针对航空发动机五大部件（即压气机（含风扇）、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管）设计中遇到的气动热力学、燃烧学、传热学等基础理论与方法，结合典型算例十分星详细给出了压气机、燃烧室、涡轮部件的设计步骤，给出了发动机整机设计优化的策略，这对正在从事航空发动机设计和正在攻读航空发动机专业学位的博士生和硕士生来讲有非常重要的指导意义。
（3）全书共分四篇16章，分别从系统学理论、三元流动理论、现代优化理论及统筹优化算法以及发动机多目标协同优化等几个方面进行论述。全书引用了国内外著名科学家的专著和重要参考文献951篇，计算曲线、性能图371幅，重要结构与性能参数表格58张，这为广大读者提供了一个十分丰富的科研资料阅读平台。同时也加深了对本书所讲内容的深入理解。如此丰富的图表和文献在国内出版的书中是很少看到的。
本书的作者之一王保国教授是1978届中国科学院研究生院吴仲华先生的研究生，他曾分别在中科院力学所和工程热物理所工作16年，曾在吴仲华先生的率领下，成功地进行了斯贝发动机的改型工作（即去风扇加零级、航空改潜艇上用）并获得中国科学院重大成果奖、王保国是主要获奖人之一；在清华大学任教授、博导、流体力学教研室副主任十余年，两次荣获清华大学教学优秀奖；在北京理工大学任3个学科（力学、动力工程及工程热物理、航空宇航科学与技术）的首席教授、学科带头人，荣获“北京市教学名师”荣誉称号；2013年后受中航工业集团公司的聘请，全职担任中国航空研究院气体动力学的高级顾问。本书的另外三位作者也都是经验十分丰富的航空发动机和燃气轮机领域内的资深专家和学科带头人，他们分别在北京、上海和巢湖都有发动机方面的试验基地。
我强烈推荐国家出版基金给予资助。