双模态冲压发动机模态转换过程可控燃烧机制研究

The mechanism of controllable combustion mode (ramjet or scramjet) is one of the greatest challenges for dual mode Scramjet engines. Based on the most recently experimental results obtained by the DLR (German Aerospace Center), the present project will investigate the impact of different equivalence ratios on the transition of combustion modes between ramjet and scramjet. Emphasis is placed on the combustion feature, the shock train structure and movement, the start ability and the complex interactions between turbulence, shock train and multi-scale combustion. Over that, a control regime on the transition of combustion modes is raised according to the varying of equivalence ratio as well as the usage of thermal chocking. The main purpose is to make the ramjet-scramjet and scramjet-ramjet mode transition smoothly controllable. The current research will enhance our understanding of the turbulent combustion and provide theoretical backgrounds for the further development of scramjet propulsion technique.

双模态可控燃烧机制一直是冲压发动机研究的技术难点。本项目将发展带湍流燃烧的大规模全三维的DES数值模拟方法，以德国宇航中心DLR的最新试验结果为参考，在兼顾冲压发动机不起动现象的同时分析不同的燃料喷注当量比ER对亚燃/超燃双模态转换的影响。重点研究进气道/燃烧室一体化通道在模态转换动态非定常过程中的流场变化、激波系结构和移动规律以及发动机的起动性能，分析运动激波、湍流和多尺度燃烧的复杂相互作用。在此基础上，通过合理调节当量比和正确利用燃烧形成的热堵塞，实现双模态燃烧中“亚燃向超燃”和“超燃向亚燃”的双向模态转换可控。该模态转换可控燃烧机制和方法，可为国内冲压发动机技术的发展以及临近空间飞行器的研制提供理论和技术基础，促进冲压发动机燃烧技术的进一步发展。

双模态可控燃烧机制是冲压发动机研制的一个技术难点。本项目针对双模态冲压发动机燃烧室，构建高精度湍流燃烧数值模拟方法，数值研究了来流条件、当量比以及燃烧室结构参数对冲压发动机燃烧模态转换的影响，分析了模态转换过程中非定常流场变化、激波系结构和移动规律以及发动机的起动性能，总结了双模态冲压发动机的燃烧模态转换的规律。在深入认识燃烧机理并结合发动机的燃烧特性的基础上，初步提出了基于多参数不确定性分析和全局优化的燃烧控制方法。本项目取得的主要研究结果如下：.首先，发展了脱体涡模拟技术（DES）的数值模拟方法，并采用DES对超燃进气道和超燃掺混特性进行了研究，研究表明高穿透深度和进气道出流涡特征的旋流挟带作用促进燃料快速掺混；开发了局部搅拌反应器模型（PaSR）方法和设定型的PDF方法，基于DLR最新的Hyshot超燃试验条件，开展Hyshot燃烧室内稳态燃烧流场高精度数值模拟，燃烧内压力、热释放量以及温度分布与试验吻合的较好，验证湍流燃烧模拟方法。.其次，以DLR的Hyshot超燃冲压发动为研究对象，分析了燃料当量比连续变化（增加或减小）对冲压发动机模态转换过程的影响，分析了当量比递增和递减情况下燃烧模态转换中迟滞现象。揭示了冲压发动机燃烧室和隔离段内的非定常流动特征和运动机理，发现了燃料当量比连续变化过程中存在的迟滞性和压力突变点变化，当量比递增时与当量比递减时，临界当量不同且模态转换过程中压力突变点位置也不一致，得出了当量比连续变化引起的非定常燃烧、激波串前移与进气道不起动现象之间存在关联。.最后，利用高精度数值模拟方法研究了多边界条件（来流速度、压力、温度、燃料当量比等）同时变化对带进气道和不带进气道的超燃燃烧室燃料喷射的影响，得出多参数变化对燃料喷射效率和燃料分布的影响；然后研究当量比、来流参数及超燃结构对带三维内转进气道的超燃燃烧室特性影响，初步总结了一个关于当量比、来流参数和分布的不确定变量对双模态燃烧机制的影响。