【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高馬赫數(shù)飛行條件下，氣流密度的降低和滯止溫度的升高會造成分子振動模態(tài)激發(fā)、離解和電離等熱/化學(xué)非平衡現(xiàn)象。非平衡效應(yīng)會影響進(jìn)氣道壓縮效率、燃燒室燃燒性能以及尾噴管中的推力輸出。因此吸氣式高超聲速飛行器，在發(fā)動機設(shè)計和性能分析中考慮熱/化學(xué)非平衡等真實氣體效應(yīng)具有重要意義。然而，由于湍流、燃燒、熱/化學(xué)非平衡效應(yīng)復(fù)雜性以及實驗/模擬研究手段的缺乏，關(guān)于熱/化學(xué)非平衡效應(yīng)對湍流燃燒和發(fā)動機性能的影響規(guī)律和作用機制存在較多爭議。
 

　　力學(xué)研究所高馬赫研究團隊針對HyShot II經(jīng)典構(gòu)型，實現(xiàn)了2.2億級網(wǎng)格碳、氫兩類燃料高馬赫發(fā)動機內(nèi)外流耦合一體化大渦模擬，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)了實驗發(fā)動機燃燒場，從化學(xué)動力學(xué)角度詳細(xì)闡釋了熱化學(xué)非平衡效應(yīng)對于橫向噴注激波誘導(dǎo)點火過程的主控機制，揭示了非平衡效應(yīng)對于發(fā)動機性能的影響規(guī)律。
 

　　該工作取得突破性進(jìn)展如下。第一，該研究發(fā)展了Dynamic Zone Flamelet Model (DZFM)+Zonal Nonequilibrium Model(ZNM)超聲速湍流燃燒熱化學(xué)非平衡模型，相較于傳統(tǒng)模型，該模型計算效率提升了10倍以上，使得原來需要數(shù)年的計算量可在168小時內(nèi)完成。同時，相較于國內(nèi)外同行普遍少于1000萬網(wǎng)格量，該研究實現(xiàn)了超過億級網(wǎng)格(2.2億)的非平衡大規(guī)模模擬；第二，該研究詳細(xì)討論了氫和碳?xì)鋬深惏l(fā)動機熱化學(xué)非平衡規(guī)律。分析了在超燃沖壓發(fā)動機典型溫度區(qū)間內(nèi)不同程度的熱化學(xué)非平衡效應(yīng)對于不同類型基元反應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)對于鏈?zhǔn)椒种Х磻?yīng)H+O2=OH+O的抑制和對于脫氫離解反應(yīng)的抑制分別主導(dǎo)氫燃料和乙烯燃料在非平衡條件下點火滯后，如圖1和2所示；第三，相關(guān)模擬技術(shù)有力支撐了國家某重大專項的型號設(shè)計，完成了60余工況的億級網(wǎng)格高保真計算分析，獲得了熱化學(xué)非平衡條件下燃燒效率更低、推力輸出更低的規(guī)律，校正了傳統(tǒng)基于熱化學(xué)非平衡假設(shè)開展的高馬赫發(fā)動機設(shè)計。
 

　　相關(guān)工作以“Thermochemical Nonequilibrium Effect on Hydrogen- and Ethylene-Fueled Supersonic Combustion”為題發(fā)表于燃燒學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Combustion and Flame。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。研究得到了國家自然科學(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 (a)氫燃料OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖；(b)乙烯燃料H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖
 

　　圖2 燃燒室點火區(qū)域反應(yīng)路徑通量分析( PFA )圖譜(a)氫燃料；(b)乙烯燃料(黑色箭頭和文字代表平衡假設(shè)下的路徑方向和路徑流量，而紅色代表非平衡。紫色箭頭表示具有相同的路徑方向。);(c)非平衡和平衡條件基元反應(yīng)速率比值分布圖(上方)H+O2=OH+O；(中間)OH+H2=H2O+H；(下方)C2H4 = C2H3 + H