【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超燃沖壓發(fā)動機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)動機存在非唯一的運行模態(tài)和工作裕度。超燃沖壓發(fā)動機在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在燃燒遲滯效應(yīng)在近年來的國內(nèi)外地面實驗中得到廣泛證實。作為高超聲速飛行的首選動力，超燃沖壓發(fā)動機中的遲滯效應(yīng)給發(fā)動機的主動控制帶來巨大困難。
 

　　目前關(guān)于遲滯效應(yīng)的研究多為實驗現(xiàn)象觀察。通過數(shù)值手段準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)燃燒遲滯現(xiàn)象并揭示其機理是超聲速燃燒研究的挑戰(zhàn)性難題之一。這是因為燃燒遲滯現(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)機理會“遺漏”這一現(xiàn)象。另一個原因是燃燒遲滯現(xiàn)象是一個動態(tài)演化過程，其數(shù)值復(fù)現(xiàn)對計算資源的需求極大。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，在高保真的同時實現(xiàn)了計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算資源的前提下實現(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)象進而揭示其內(nèi)在機理奠定了方法基礎(chǔ)。
 

　　研究團隊針對弗吉尼亞大學(xué)馬赫5非掃掠斜坡穩(wěn)焰發(fā)動機構(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)型在地面實驗中觀測到的燃燒遲滯現(xiàn)象。研究進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制)。研究進一步揭示了遲滯效應(yīng)對發(fā)動機性能的影響規(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研發(fā)計劃 (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(XDB0500301)等的支持。
 

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