高超声速曲面压缩进气道及其反设计_张堃元编著_9787118116243

本书共分10章。第1章从高超声速进气道的发展简史，引出了曲面压缩概念；第2章介绍了曲面压缩系统气动力学基础问题简化求解方法；第3章介绍了几种二维弯曲激波曲面压缩面的正设计方法；第4章介绍了第一类反设计，即由出口气流参数分布逆流向设计压缩流道的过程；第5章集中介绍了第二类反设计的详细流程，即指定压缩面压强或马赫数分布设计弯曲激波曲面压缩系统；第6章介绍了内转进气道各种轴对称基准流场的第二类反设计方法；第7章是曲面压缩高超声速二维、轴对称、三维侧压和内转进气道的设计方法和设计实例；第8章介绍了自适应变几何弹性曲面压缩进气道新概念；第9章是进气道阻力分析和减阻设计；第10章则是曲面压缩的发展和应用展望。

什么是曲面压缩？简言之，就是让所有压缩面都参与对超声速气流压缩的压缩方式，用□通俗但不严密的话讲，就是让气流在“每一寸压缩面上”都受到压缩。曲面压缩通常伴随着弯曲激波，等熵压缩是曲面压缩的特例。
　　高超声速指的是飞行马赫数高于5的飞行速度范围。随着高超声速技术特别是超燃冲压发动机技术的快速发展，高超声速进气道设计也面临着一系列挑战性问题，如进气道与燃烧室的一体化设计、进气道与飞行器前体的一体化设计、进气道巡航状态性能与宽范围工作性能的矛盾、流道边界层分离和流态的控制、压缩面的减阻等。
　　弯曲激波一曲面压缩概念的提出为解决这些问题提供了新的途径。研究表明，曲面压缩进气道在降低总压损失、缩短长度、避免边界层分离、改善非设计点性能、降低阻力、耐受非均匀来流等方面均存在优势，因此逐渐受到人们关注，对这种流场的设计方法、性能与应用已进行了多方面的探索和详细的研究，并取得了丰硕的成果。
　　需要指出的是，本书讨论的高超声速进气道曲面压缩概念□初源自20世纪90年代初作者在德国宇航中心的研究。20世纪80年代已有的研究表明，一体化设计高超声速飞行器的前体边界层对机腹进气的高超声速进气道性能有重大影响，□严重的情况下，边界层厚度甚至可以占整个进气口高度的1/2以上，采用单纯的边界层排移或吸除代价太大甚至得不偿失，因此进气道的设计应该考虑来流边界层的流动非均匀性对高超声速进气道流动的影响，应该考虑如何采取措施减缓对进气道性能的不利影响，当年作者在DLR的数值模拟结果发现曲面压缩较平面压缩似乎更为有利。回国后正值我国863 -2计划的研究蓬勃开展之际，配合863计划的研究，在国家自然科学基金“高超声速进气道来流附面层处理的研究”（19082008）项目的资助下，就此问题展开进一步研究。之后，除了继续承担863 -2计划的高超声速进气道研究之外，还连续在几个国家自然科学基金“高超声速一体化设计侧压式进气道研究”（19282007）、“非均匀高超声速进气道研究”（19582003）和“双模态超燃冲压发动机进气系统研究”（19882002）项目的资助下，配合863计划的深入进行，就高超声速进气道的基础性关键问题展开研究，发现曲面压缩面对非均匀来流的适应能力较强，且具有一定的“纠偏”能力，对提高一体化设计的高超声速进气道性能有利。21世纪初与□□□□□力学研究所的高超声速进气道合作科研上，力学研究所研究员张新宇希望在国内首座燃烧加温的自由射流高超声速风洞上，在菱形区内提供尽可能大尺寸的高性能高超声速进气道模型气动设计。在这种具体需求的牵引下，作者尝试多种可能构思后，忽然顿悟是否有可能利用当年源自德国宇航中心的研究成果，结合这几年的探索，将二维平面斜楔压缩由平面变为凹曲面，采用比纯等熵压缩更大的曲率，用无限多级斜楔代替有限级数的斜楔压缩，让等熵压缩波依次交汇并迫使首道斜激波弯曲，在满足激波封口的原则下，这样不仅缩短了压缩面长度，而且在局促的空间约束下模型可以做得较大。引入了部分的等熵压缩替代纯激波压缩，等熵压缩与激波压缩的比例可以根据需要加以调节和控制，与传统的超声速气流压缩方式相比，综合气动性能和设计方法的灵活性□□优势。曲面压缩的这一具体应用当时真有“柳暗花明又一村”之感。
　　进入21世纪，在国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器关键基础科学问题”的重点项目“高超声速气流新概念压缩系统研究”（90916029）的资助下，作者课题组对这种弯曲激波一曲面压缩系统开展了比较系统、深入的研究。课题组经过近20年20余名博士、硕士研究生的不懈努力，发现弯曲激波一曲面压缩这种压缩方式很有特色，至今已发展了高超声速压缩面多种由压缩面气动参数分布到型面设计和逆流向反设计的设计方法，并形成了高超声速二维进气道、高超声速轴对称进气道、高超声速侧压式进气道和高超声速内转进气道的完整的曲面压缩进气道反设计方法，获得了综合性能优良的进气道气动构型，这种新型的设计方法已经在高超声速吸气式发动机的实际气动设计中得到了应用。本书全面地介绍了弯曲激波一曲面压缩特殊压缩方式的研究历程、工作特点、性能计算和气动构型的设计方法。高超声速进气道的阻力也是人们关注的问题之一，本书也介绍了进气道□小阻力的估算方法和曲面压缩的减阻效果。

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