近日，西北工业大学航空学院青年教师李楠副教授及其合作者在压缩波系/边界层干扰的研究中取得重要进展。相关研究成果以“Scaling for compression waves/boundary layer interaction based on equivalent interaction intensity”为题，发表于流体力学领域顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》（https://doi.org/10.1017/jfm.2025.11017）。航空学院李楠副教授为该论文的第一作者，航天学院玉选斐副教授为通讯作者，航空学院叶正寅教授和张伟伟教授为论文合作者，西北工业大学为该论文的第一署名单位。此项研究获得了国家自然科学基金委以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
超声速/高超声速进气道作为吸气式推进系统的关键气动组件，其主要功能是为燃烧室提供减速增压的气流，以满足燃烧需求。然而，采用激波压缩会导致显著且难以弥补的总压损失，进而降低推进性能。为了减小压缩过程中的能量损失，进气道的压缩面被设计为曲面，利用一系列连续的等熵压缩波来替代传统压缩拐角所诱导的斜激波。但这一设计引发了新的矛盾：较长的曲面虽然能够分散压缩波系、降低逆压梯度并抑制流动分离，却会使结构重量增加；而较短的曲面则可能由于压缩波系过于集中，导致逆压梯度过高，从而引发流动分离与失稳现象。因此，在不同曲面长度、来流条件等参数的作用下，准确预测压缩波系/边界层干扰的尺度，对于曲面压缩设计具有重要的指导价值。
图1 压缩波系覆盖范围会影响干扰流动分离尺度
激波/边界层干扰标度律的作用在于，将干扰流动的分离尺度与若干核心物理参数（例如来流马赫数、雷诺数、边界层状态等）建立关联，进而实现对不同马赫数及构型下干扰强度的统一量化预测，揭示其背后的共同物理本质，并为工程设计提供用于快速评估和优化的理论工具。然而，传统标度律关系（Souverein et al. 2013）无法直接应用于压缩波系/边界层干扰。其主要原因在于，该标度律未考虑压缩波系覆盖范围变化所导致的逆压梯度变化，以及这种变化对分离尺度产生的影响。针对这一问题，研究团队通过风洞实验和理论分析，确定了压缩波系覆盖范围的一个临界长度。当覆盖范围小于此临界长度时，其干扰效果与一道具有相同气流折转角的激波相近；当覆盖范围超过临界长度时，压力被分摊至更长的距离，单位距离的增压变缓，从而能够抑制气流分离的规模。基于此研究结果，研究团队提出了一套新的标度律模型，即将不同覆盖范围的压缩波系干扰等效为具有相同压力梯度的激波干扰。如此一来，无论是传统的激波还是压缩波系，均可采用同一套方法来预测其分离尺度。
图2 基于等效干扰强度标度律构建方法
该研究为超声速/高超声速进气道气动设计与流动预测提供了新的思路和方法，具有重要的理论意义和应用前景。李楠副教授长期专注于超声速/高超声速进气道、激波/边界层干扰等相关领域的研究，关于进气道内复杂波系/边界层干扰的其他工作可参考：https://doi.org/10.1017/jfm.2024.760, https://doi.org/10.1017/jfm.2020.702, https://doi.org/10.2514/1.J064762, https://doi.org/10.2514/1.J059331。
