高超声速进气道曲面压缩技术综述

推进技术 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (10): 2227-2235.

高超声速进气道曲面压缩技术综述

张堃元

南京航空航天大学能源与动力学院，江苏省航空动力系统重点实验室，江苏南京 210016

发布日期:2021-08-15
作者简介:张堃元，男，教授，博士生导师，研究领域为内流气体动力学。
基金资助:
国家自然科学基金(90916029)。

Review on Curved Surface Compression Technology of Hypersonic Inlet

Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System，College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Published:2021-08-15

摘要/Abstract

摘要： 高超声速曲面压缩系统能够同时利用弯曲激波和等熵波压缩来流，具有良好的综合性能，本文简要回顾了相关研究取得的成果，分析了这种新型压缩方式的流动特征，总结了基于曲面压缩概念提出的多种流场设计方法，重点介绍了其中根据出口截面或壁面上气动参数实现的流场反设计以及在高超声速进气道设计中的应用研究，同时指出了三维流场的反设计、粘性条件下的反设计等有待深入研究的问题。

关键词: 高超声速进气道；反设计；曲面压缩系统；弯曲激波压缩系统；变几何进气道；综述

Abstract: Hypersonic curved surface compression system could compress free stream through curved shock wave together with isentropic compression wave， and exhibits good comprehensive performance. This paper gives a brief summary on related research. Features of this new type of compression flow field are analyzed， several flow field design methods based on curved surface compression are reported. Especially， the flow field inverse design according to gas dynamics parameters at outlet station or on the wall， and its application on hypersonic inlet are interpreted in detail. Meanwhile， certain problems as 3D flow field inverse design and inverse design under viscous condition are proposed to be further investigated.

Key words: Hypersonic inlet；Inverse design；Curved surface compression system；Curved shock compression system；Geometry variable inlet；Review

张堃元. 高超声速进气道曲面压缩技术综述[J]. 推进技术, 2018, 39(10): 2227-2235.

ZHANG Kun-yuan. Review on Curved Surface Compression Technology of Hypersonic Inlet[J]. Journal of Propulsion Technology, 2018, 39(10): 2227-2235.

参考文献

[1] Heiser W H, Pratt D T. Hypersonic Airbreathing Propulsion[M]. Reston: AIAA Education Series, 1994.
[2] Curran E T, Murthy S N B. Scramjet Propulsion[M]. Reston: AIAA Progress in Acstronautics and Aeronautics, 2000.
[3] 王振国, 梁剑寒, 丁猛, 等. 高超声速飞行器动力系统研究进展[J]. 力学进展, 2009, 39(6): 716-739.
[4] Zhang K Y. Research Progress of Hypersonic Inlet Inverse Design Based on Curved Shock Compression System[R]. AIAA 2015-3647.
[5] 王磊. 高超声速二元弯曲激波压缩流场的分析、优化与应用[D]. 南京:南京航空航天大学, 2016.
[6] M?lder S. Lecture on Curved Aerodynamic Shock Waves[C]. Xiamen: Summer School Lecture on Hypersonic Propulsion Technology, 2014.
[7] Emanuel G. Shock Wave Dynamics Derivatives and Related Topics[M]. Boca Raton: Taylor & Francis, 2013.
[8] 韩伟强, 朱呈祥, 尤延铖, 等. 二阶弯曲激波理论的推导与应用研究[C]. 哈尔滨:第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集, 2015.
[9] 王磊, 张堃元, 苏纬仪, 等. 高超声速二元弯曲激波压缩流场性能分析[J]. 推进技术, 2017, 38(4): 764-771. (WANG Lei, ZHANG Kun-yuan, SU Wei-yi, et al. Performance Analysis of Hypersonic 2D Curved Shock Compression Flow Field[J]. Journal of Propulsion Technology, 2017, 38(4): 764-771.)
[10] 张林. 等熵压缩波分散交汇的超/高超声速曲面压缩系统研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2014.
[11] 居燕. 弯曲激波压缩面设计及试验研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2005.
[12] 潘瑾. 超声/高超声速非均匀来流下曲面压缩系统研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2011.
[13] 方兴军. 控制出口速度分布的超声速内流通道反设计[D]. 南京:南京航空航天大学, 2012.
[14] Fang X J, Zhang K Y. Inverse Design of Supersonic Internal Flow Path Based on Given Outflow Velocity Profile[R]. AIAA 2012-4064.
[15] 韩伟强, 朱呈祥, 尤延铖, 等. 给定下游边界的超声速流场逆向求解方法[J]. 推进技术, 2016, 37(4): 624-631. (HAN Wei-qiang, ZHU Cheng-xiang, YOU Yan-cheng, et al. An Inverse Method for Supersonic Flowfield with Given Downstream Boundary[J]. Journal of Propulsion Technology, 2016, 37(4): 624-631.)
[16] 郭善广, 王振国, 赵玉新, 等. 高超声速二元进气道前体曲线激波逆向设计研究[J]. 航空学报, 2014, 35(5): 1246-1256.
[17] 刘燚. 控制出口马赫数分布的高超声速压缩通道反设计[D]. 南京:南京航空航天大学, 2012.
[18] 钟启涛, 张堃元, 庞丽娜. 出口马赫数分布可控的二元高超进气道双重反设计[J]. 推进技术, 2015, 36(7): 982-988. (ZHONG Qi-tao, ZHANG Kun-yuan, PANG Li-na. Double Inverse Design of 2-D Hypersonic Inlet with Controllable Exit Mach Number Distribution[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(7): 982-988.)
[19] 南向军, 张堃元, 孙波. 压缩面升压规律可控的高超进气道轴对称基准流场设计方法研究[C]. 北京:中国航空学会航空动力分会火箭发动机专业委员会2009年推进技术学术年会, 2009.
[20] 南向军. 压升规律可控的高超声速内收缩进气道设计方法研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2012.
[21] Nan X J, Zhang K Y. Numerical and Experimental Investigation on Hypersonic Inward Turning Inlets with Basic Flowfield Using Arc Tangent Curve Law of Pressure Rise[R]. AIAA 2011-2270.
[22] 李永洲, 张堃元, 南向军. 基于马赫数分布规律可控概念的高超声速内收缩进气道设计[J]. 航空动力学报, 2012, 27(11): 2484-2491.
[23] Li Y Z, Zhang K Y. Design of Hypersonic Inward Turning Inlets with Controllable Mach Number Distribution[R]. AIAA 2012-4151.
[24] 南向军, 张堃元. 采用新型基准流场的高超声速内收缩进气道性能分析[J]. 宇航学报, 2012, 33(2): 254-259.
[25] 李永洲, 张堃元, 钟启涛. 四段修型弥散反射激波中心体基准流场研究[J]. 航空动力学报, 2014, 29(9): 2055-2062.
[26] 李永洲. 马赫数分布可控的高超声速内收缩进气道及其一体化设计研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2014.
[27] 李永洲, 张堃元, 朱伟, 等. 双弯曲入射激波的可控中心体内收缩基准流场设计[J]. 航空动力学报, 2015, 30(3): 563-570.
[28] Emanuel G. Supersonic Compressive Ramp Without Laminar Boundary-Layer Separation[J]. AIAA Journal, 1984, 22(1): 29-34.
[29] 潘瑾, 金峰, 张堃元. 非均匀来流下等压力梯度曲面压缩系统的试验研究[J]. 推进技术, 2013, 34(12): 1593-1600. (PAN Jin, JIN Feng, ZHANG Kun-yuan. Experimental Investigation of Constant Pressure Gradient Curved Compression System in Non-Uniform Inflow[J]. Journal of Propulsion Technology, 2013, 34(12): 1593-1600.)
[30] Pan J, Zhang K Y. Experimental and Numerical Investigation of a Curved Compression System Designed on Constant Pressure Gradient[R]. AIAA 2009-5270.
[31] 李怡庆, 韩伟强, 尤延铖, 等. 压力分布可控的进气道/前体一体化乘波设计[J]. 航空学报, 2016, 37(9).
[32] 莫建伟. TBCC排气系统设计方法及流场特性研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2015.
[33] 李大进, 高雄, 朱守梅. 弯曲激波压缩曲面的二元高超声速进气道研究[J]. 推进技术, 2013, 34(11): 1441-1447. (LI Da-jin, GAO Xiong, ZHU Shou-mei. Study of Hypersonic 2D-Inlet with Leading Curved-Shock Wave Compression Ramp[J]. Journal of Propulsion Technology, 2013, 34(11): 1441-1447.)
[34] 李永洲, 张堃元, 王磊, 等. 基于二维曲面基准流场的流线追踪高超声速进气道设计[J]. 航空动力学报, 2012, 27(9): 2004-2012.
[35] 李永洲, 张堃元, 张留欢. 抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响[J]. 航空动力学报, 2016, (7): 1630-1637.
[36] 南向军, 张堃元, 金志光. 采用新型基准流场的高超内收缩进气道试验研究[J]. 航空学报, 2014, 35(1): 90-96.
[37] 尤延铖, 梁德旺, 郭荣伟, 等. 高超声速三维内收缩式进气道/乘波前体一体化设计研究评述[J]. 力学进展, 2009, (5): 513-525.
[38] 吴颖川, 贺元元, 贺伟, 等. 吸气式高超声速飞行器机体推进一体化技术研究进展[J]. 航空学报, 2015, 36(1): 245-260.
[39] 王磊, 张堃元, 金志光, 等. 基于壁面压力分布的二元高超声速弯曲激波压缩进气道反设计与优化方法[J]. 推进技术, 2013, 34(12): 1601-1605. (WANG Lei, ZHANG Kun-yuan, JIN Zhi-guang, et al. Reverse Design and Optimization of 2D Hypersonic Curved Shock Compression Inlet Based on Given Wall Pressure Distribution[J]. Journal of Propulsion Technology, 2013, 34(12): 1601-1605.)
[40] Zhang L, Zhang K Y, Wang L. Application Study of the Curved Surface Compression System in Three-Dimensional Sidewall Compression Inlet[R]. AIAA 2014-2840.
[41] 刘辰昊. 壁面参数融合可控的高超侧压式进气道初步研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2015.
[42] 向有志, 张堃元, 王磊, 等. 壁面压升可控的高超轴对称进气道优化设计[J]. 航空动力学报, 2011, 26(10): 2193-2199.
[43] 杨顺凯, 张堃元, 王磊. 高超可调进气道弹性压缩面自适应无源控制概念研究[J]. 推进技术, 2015, 36(11): 1633-1639. (YANG Shun-kai, ZHANG Kun-yuan, WANG Lei. Research on Self-Adaptive and Passivity-Based Control Concept of Hypersonic Adjustable Inlet with Elastic Compression Surface[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(11): 1633-1639.)
[44] 杨顺凯, 张堃元, 王磊, 等. 多点集中力下高超进气道弹性变几何研究[J]. 航空动力学报, 2015, 30(10): 2516-2522.
[45] 杨顺凯, 张堃元, 王磊, 等. 流量系数可控弹性自适应高超进气道研究[J]. 推进技术, 2014, 35(12): 1592-1597. (YANG Shun-kai, ZHANG Kun-yuan, WANG Lei, et al. Research on Elastic and Self-Adaptive Hypersonic Inlet with Controllable Flow Coefficient[J]. Journal of Propulsion Technology, 2014, 35(12): 1592-1597.)
[46] 甘宁钢. 宽马赫数凹曲激波压缩进气道型面变几何研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2012.　　　　　　　　　　　　　*　收稿日期:2016-09-25；修订日期:2016-10-11。基金项目:国家自然科学基金(90916029)。作者简介:张堃元,男,教授,博士生导师,研究领域为内流气体动力学。E-mail: zkype@nuaa.edu.cn(编辑:史亚红)