基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28352

流体力学与飞行力学

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基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计

王晓峰¹, 屈峰¹(), 付俊杰¹, 王泽宇¹, 刘超宇¹, 白俊强²

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.西北工业大学无人系统技术研究院，西安 710072

收稿日期:2022-12-05 修回日期:2022-12-22 接受日期:2023-03-21 出版日期:2023-10-15 发布日期:2023-04-17
通讯作者: 屈峰 E-mail:qufeng@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972308)

Discrete adjoint-based aerodynamic design optimization for hypersonic inward turning inlet

Xiaofeng WANG¹, Feng QU¹(), Junjie FU¹, Zeyu WANG¹, Chaoyu LIU¹, Junqiang BAI²

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Unmanned System Research Institute，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2022-12-05 Revised:2022-12-22 Accepted:2023-03-21 Online:2023-10-15 Published:2023-04-17
Contact: Feng QU E-mail:qufeng@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972308)

摘要/Abstract

摘要：

内转式进气道拥有较好的来流捕获能力和较高的压缩效率，但此类进气道在初步设计时无法进行局部型面调节，难以改善激波/边界层干扰导致的流动分离、二次流等复杂流动结构对进气道性能造成的不利影响，仍具有较大的优化设计空间。目前，针对高超声速内转式进气道开展气动优化设计面临着型面复杂多变、设计变量规模较大、流场求解精度要求高等难题。为此，采用基于离散伴随的梯度类优化方法，对带斜楔前体内转式进气道开展了气动优化设计。优化结果表明，进气道内外压缩段型面的起伏变化显著改变了内部激波结构，减小了壁面压力梯度，进而弱化了流向涡；隔离段内激波串与附面层的干扰强度显著减弱，抑制了低能流区的扩张。相比于初始构型，优化构型在设计工况下出口处的总压恢复系数提升了8.767%，流量系数提升了0.163%，增压比提升了0.763%，阻力降低了1.658%，进气道的气动性能得到了一定改善。

关键词: 高超声速, 内转式进气道, 离散伴随, 梯度优化, 气动设计

Abstract:

Despite its relatively good inlet capture ability and high air compression efficiency， the inward turning inlet cannot be locally adjusted in the preliminary design， and improvement in the adverse effects of complex flow structures such as flow separation and secondary flow caused by shock/boundary layer interference is difficult. Therefore， performance optimization is necessary. The current design optimization of the hypersonic inward turning inlet faces many challenges such as the complex profile， large-scale design variables， and the high accuracy requirement of the flowfield numerical simulation. The gradient optimization method based on discrete adjoint is adopted to carry out the aerodynamic design optimization for the inward turning inlet with a wedge forebody. The optimization results show that the undulating shape of the inner and outer compression sections significantly changes the internal shock structure， reduces the wall pressure gradient， and thereby abates the streamwise vortex. In addition， the interference intensity between the shock train and the boundary layer in the isolation section is significantly weakened， inhibiting the expansion of the low energy flow region. Under the design condition， compared with the initial configuration， the aerodynamic performance of the optimized configuration is significantly improved. The total pressure recovery coefficient， the flow coefficient and the pressure ratio at the exit are increased by 8.767%， 0.163%， and 0.763%， respectively， while the drag is reduced by 1.658%.

Key words: hypersonic, inward turning inlet, discrete adjoint, gradient-based optimization, aerodynamic design

中图分类号:

V211.48

王晓峰, 屈峰, 付俊杰, 王泽宇, 刘超宇, 白俊强. 基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128352.

Xiaofeng WANG, Feng QU, Junjie FU, Zeyu WANG, Chaoyu LIU, Junqiang BAI. Discrete adjoint-based aerodynamic design optimization for hypersonic inward turning inlet[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(19): 128352.

图/表 32

表 1

图 1

图 2

图 3

表 2

不同疏密网格计算结果

网格疏密	σ_e	$Δ σ e$ /%	φ_e	$Δ φ e$ /%
疏	0.497 1	-1.564	0.917 0	-0.575
中等密度	0.507 6	0.515	0.922 7	0.043
密	0.505 0	0	0.922 3	0

表 2

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 3

表 4

图 9

图 10

表 5

表 6

表 7

表 8

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

参考文献 41

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

设计变量	伴随方程法/10^-2	有限差分法/10^-2	相对误差/%
1	-1.860 7	-1.861 5	0.043
2	-1.743 3	-1.747 5	0.241
3	-1.214 7	-1.211 2	-0.288
4	-0.71	-0.709 5	-0.070
5	-0.296 9	-0.292 2	-1.583
6	-0.042 9	-0.040 8	-4.895
7	0.292	0.287 2	-1.644
8	0.684 2	0.691 1	1.009
9	0.957 7	0.952	-0.595
10	1.075 6	1.081 5	0.549

设计变量	伴随方程法/10^-3	有限差分法/10^-3	相对误差/%
1	1.404 1	1.348 4	-3.967
2	2.940 8	2.932	-0.299
3	3.811 8	3.843 7	0.837
4	3.774 4	3.855 9	2.159
5	2.831 3	2.887	1.967
6	1.354 9	1.362 6	0.568
7	-0.333 2	-0.329 2	-1.200
8	-1.771 9	-1.809 5	2.122
9	-2.544 4	-2.591 5	1.851
10	-2.658 6	-2.634 3	-0.914

参数	初始构型	优化构型	变化量/%
σ_th	0.701 0	0.697 8	-0.456
φ_th	0.921 9	0.922 5	0.065
P_th/P_∞	24.425	25.393	3.963
Ma_th	3.040 4	3.007 8	-1.072

参数	初始构型	优化构型	变化量/%
σ_e	0.507 6	0.552 1	8.767
φ_e	0.922 7	0.924 2	0.163
P_e/P_∞	28.956	29.177	0.763
Ma_e	2.657 4	2.695 6	1.438

参数	初始构型	优化构型	变化量/%
C_D_，_p	0.006 17	0.006 19	0.324
C_D_，_f	0.003 48	0.003 30	-5.172
C_D	0.009 65	0.009 49	-1.658

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Ma_∞	参数	初始构型	优化构型	变化量/%
5.5	σ_e	0.540 2	0.552 5	2.277
5.5	φ_e	0.872 4	0.874 2	0.206
5	σ_e	0.578 7	0.589 9	1.935
5	φ_e	0.806 8	0.815 9	1.128

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