超声速燃烧、流动与传热过程集成研究

为实现"近空间飞行器的关键基础科学问题"重大研究计划的预期目标，达到集成升华、跨越发展的目的，本项目拟在前期研究基础上，联合国内多家优势单位，针对进气道流动/燃烧室燃烧相互作用、燃烧/传热过程的相互作用以及燃烧过程控制开展研究，以考察进气道与燃烧室、燃烧室与热防护方案之间的匹配特性，考察进气道流动涡、激波系以及非均匀性与燃烧室点火、燃烧过程的相互作用机理，及燃烧与主动冷却传热过程的相互作用机理，及燃烧过程的优化控制方法以及规律；探索综合考虑热防护、高效燃烧等多因素的燃烧室优化设计方法，获取各部件间耦合机理与规律。研究成果将对多学科交叉研究的发展具有重要促进作用，且能为超燃冲压发动机的优化设计提供理论依据。

本项目针对进气道流动/燃烧室燃烧相互作用、燃烧/传热过程的相互作用以及燃烧过程控制开展了相关研究，研究成果可为超燃冲压发动机的优化设计提供依据。.采用直接数值模拟（DNS）研究了湍流边界层及不同强度入射激波作用下的SWBLI流场，确认了流场多尺度特征，发现分离区存在大尺度对流结构。通过LES研究了不同展向尺度下SWBLI流场特征，发现侧壁附近形成的后掠SWBLI是入射SWBLI时均三维结构的主要成因，基于此建立了相应的流场结构分析模型。.研究了稳态反压作用下进气道流场的自激振荡和动态反压作用下的受迫振荡机理，结合快速傅里叶变换分析了反压作用下进气道-隔离段内部激波串非定常振荡的频谱特性，获得了激波串前缘激波位置与壁面静压时变关系的关联性，提出了前缘激波探测的三个原则。开展了风洞试验，获得了不同反压、不同壁温下进气道激波串特性，通过试验验证了计算结果。.针对超燃冲压发动机冷却通道流动换热模拟需求，从理论和实验两个角度分别构建了碳氢燃料裂解反应机理，开展了相应数值模拟，揭示了裂解态燃料传热特性，初步解析了燃料裂解、流动和传热耦合的机制。另外还开展了燃料高温热物性在线测量，包含热沉、密度、流速和组成，测量参数满足发动机冷却结构设计需求。.分析了超燃冲压发动机热力流道的热防护要求，总结了基于C/SiC复合材料的热防护技术研究现状，提出了研究方案及需要重点关注的问题。在此基础上，制备出基于复合材料的三种再生冷却结构和两种发汗冷却结构，并对发汗冷却结构进行了初步试验，展现出较好的冷却效果。.开展了超声速气流中液体煤油直接点火研究，总结了煤油点火强化方案；分析了超声速燃烧火焰分布及传播特性，开展了发动机性能优化，发现乙烯等气态小分子碳氢化合物的燃烧性能比煤油强，煤油加热后将裂解产生这些气态小分子碳氢化合物，有利于提高煤油的燃烧效率和发动机推力。提出了超燃冲压发动机推力调节/进气道保护双回路切换控制方案，可有效解决发动机单回路控制快速性和安全性二者不能兼顾的问题，并利用地面试验平台模拟发动机加减速过程对切换控制方案和控制策略进行了验证。