燃烧方式对受限空间内超声速湍流混合层增长特性的影响及其机理研究

This program faces to the core scientific issue of “interactions of complex turbulence and combustion” within this key research project of NSFC. Based on the formal related research, this program use a new perspective of research and an advanced direct numerical simulation method including compact-WENO hybrid high-order scheme to further investigate the mechanisms of the effects of combustion patterns on the growth characteristics of confined supersonic turbulent mixing layers. The goals of the program are to promote the theoretical understanding of growth characteristics of supersonic turbulent mixing layers in scramjet engine, to provide the theoretical support for improving the mixing of fuel and air in scramjet, and to possibly contribute to the scientific goal of “making breakthrough in interaction of combustion and turbulence” of this key research project.

本项目针对本重大研究计划核心科学问题中的“受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用”，采用新的研究视角，以及目前先进的包含紧致-WENO混合高阶格式的直接数值模拟方法，在前期工作基础上深入研究燃烧方式对受限空间内超声速湍流混合层增长特性的影响及其机理，深化对超燃冲压发动机内超声速湍流燃烧混合层增长特性的理论认识，为改善超燃冲压发动机中燃料-空气混合提供理论支撑，力争在本重大研究计划科学目标中的“燃烧与湍流相互作用机理取得突破”方面有所贡献。

超燃冲压发动机燃烧室内的湍流与燃烧相互作用由于其复杂性而一直是学术界急需解决的难点问题，深入研究这种相互作用对于实现燃料-氧化剂高效混合与燃烧具有十分重要的意义。本项目针对本重大研究计划核心科学问题中的“受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用”，采用直接数值模拟方法，开展了燃烧方式对受限空间内超声速湍流混合层增长特性的影响及其机理的深入研究，包括超声速湍流燃烧混合层增长的基本现象与表征方法研究、超声速湍流燃烧混合层的燃烧方式研究、燃烧方式对超声速湍流混合层增长特性的影响规律研究、燃烧方式对超声速湍流混合层增长特性的影响机理研究等四个方面。通过研究，获得了该领域目前急需的空间发展超声速湍流燃烧混合层高精度数据，较系统地给出了受限空间内典型三维超声速湍流燃烧混合层增长的基本现象，构建了超声速湍流燃烧混合层增长的非线性视角，构建了超声速湍流燃烧混合层燃烧方式的多参数综合分析方法，给出了典型三维超声速湍流燃烧混合层燃烧方式的来流条件作用机制，发现了超声速湍流燃烧混合层中预混燃烧增大剪切层增长率而扩散燃烧减小剪切层增长率，发现了不同燃烧方式对增长特性具有不同影响的原因在于其膨胀效应和卷吸抑制效应均存在不同。上述研究中获得的超声速湍流燃烧混合层增长特性的局部燃烧方式影响理论，推进了对超燃冲压发动机内超声速湍流燃烧混合层增长特性的理论认识，这些新认识可为改善超燃冲压发动机中燃料-空气混合提供理论支撑，并在本重大研究计划科学目标中的“燃烧与湍流相互作用机理取得突破”方面有所贡献。