【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超燃沖壓發(fā)動機(jī)中存在一種特殊的現(xiàn)象，即相同流動控制參數(shù)，由于歷史路徑的不同，可能造成發(fā)動機(jī)存在非唯一的運(yùn)行模態(tài)和工作裕度。超燃沖壓發(fā)動機(jī)在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在燃燒遲滯效應(yīng)在近年來的國內(nèi)外地面實(shí)驗(yàn)中得到廣泛證實(shí)。作為高超聲速飛行的首選動力，超燃沖壓發(fā)動機(jī)中的遲滯效應(yīng)給發(fā)動機(jī)的主動控制帶來巨大困難。
 

　　目前關(guān)于遲滯效應(yīng)的研究多為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。通過數(shù)值手段準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)燃燒遲滯現(xiàn)象并揭示其機(jī)理是超聲速燃燒研究的挑戰(zhàn)性難題之一。這是因?yàn)槿紵t滯現(xiàn)象涉及諸多的多物理耦合因素，過度簡化的物理模型和燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理會“遺漏”這一現(xiàn)象。另一個(gè)原因是燃燒遲滯現(xiàn)象是一個(gè)動態(tài)演化過程，其數(shù)值復(fù)現(xiàn)對計(jì)算資源的需求極大。近年來，中國科學(xué)院力學(xué)研究所空天飛行器數(shù)值模擬課題組提出了以動態(tài)分區(qū)火焰面模型(DZFM)為核心的“六位一體”超聲速燃燒模型體系，在高保真的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率的量級式提升(相比FLUENT提升60倍)。相關(guān)工作以“Combustion Hysteresis Phenomenon in a Dual-Mode Scramjet”為題發(fā)表于航空航天領(lǐng)域頂級期刊AIAA Journal。
 

　　基于傳統(tǒng)方法的超聲速燃燒工程模擬多基于百萬級網(wǎng)格，而動態(tài)分區(qū)火焰面模型可以在不顯著增加計(jì)算資源的前提下實(shí)現(xiàn)億級網(wǎng)格的超聲速燃燒大渦模擬。動態(tài)分區(qū)概念的提出有效降低了大渦模擬等高解析度計(jì)算方法的工程應(yīng)用門檻，為數(shù)值復(fù)現(xiàn)燃燒遲滯現(xiàn)象進(jìn)而揭示其內(nèi)在機(jī)理奠定了方法基礎(chǔ)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)針對弗吉尼亞大學(xué)馬赫5非掃掠斜坡穩(wěn)焰發(fā)動機(jī)構(gòu)型，使用高保真高效率的超聲速湍流燃燒模擬方法(IDDES+DZFM)，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界當(dāng)量比區(qū)間0.14~0.17，捕捉到了該構(gòu)型在地面實(shí)驗(yàn)中觀測到的燃燒遲滯現(xiàn)象。研究進(jìn)一步闡釋了燃燒遲滯產(chǎn)生的原因：亞燃模態(tài)下上游偽激波結(jié)構(gòu)和下游燃燒區(qū)域在亞聲速反饋回路中的物理競爭機(jī)制)。研究進(jìn)一步揭示了遲滯效應(yīng)對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律；雖然產(chǎn)生了更大的總壓損失，但是燃燒效率有22%的提升，同比發(fā)動機(jī)推力性能提升了19%。
 

　　論文第一作者為力學(xué)所22級碩博連讀生王宇，通訊作者為姚衛(wèi)研究員。該研究由中國科學(xué)院力學(xué)研究所與航天科工三院31所聯(lián)合開展。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2021YFA0719204)、國家自然科學(xué)基金(12272387)和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB0500301)等的支持。
 

　　圖1.雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒遲滯效應(yīng)數(shù)值復(fù)現(xiàn)