受限空间内超声速反应混合层生长特性及释热规律研究

The mixing and reacting layer is a typical flow structure in the hypersonic propulsion systems. Based on the features of the rocket, which is an important part in the rocket-based combined cycle engine, the project aims at studying the growth characteristics and heat release of the supersonic mixing and reacting layer that is formed by the supersonic rocket jet and the supersonic air stream in confined space with complex waves. A small high-precision test system is established for the project. The combustion diagnosis and large eddy simulation are also used to explore the issue. The compressibility，which is regarded as a function of shock intensity, convective velocity, and heat release, is quantitatively investigated in terms of the thickness of the layer in physical space, the scalar distribution in mixture fraction space, and the measured flame border. Impacts of shock waves on the layer development and the combustion mode variation are carefully examined. The contributions to heat release by different combustion modes are also calculated. Flame structure, combustion mode, spectrum characteristics are studied with consideration of geometric constraints and wave structures. The growth model is built to predict the development of the supersonic mixing and reacting layer. The heat release coupled with shock waves is analyzed. Efforts are made to explore regulating methods for the development of the supersonic mixing and reacting layer. The results of this project are to lay the foundation for controllable combustion in confined space.

反应混合层是高超声速动力系统中典型的燃烧流动结构，结合火箭基组合循环发动机支板火箭的工作特点，本项目拟通过超声速火箭射流与超声速空气来流所形成的超-超射流火焰研究受限空间内、复杂波系作用下的超声速反应混合层生长特性和释热规律。设计高精度小型变参数试验系统，利用多场多组分燃烧诊断技术，结合高精度大涡模拟，从物理空间中的剪切层厚度、混合分数空间中的标量分布以及光学测量中的火焰边界出发，研究可压缩性与激波强度、对流速度、燃烧释热之间的函数关系，分析激波对于反应混合层发展、燃烧模式演化的影响，并计算不同燃烧模式对于释热量的贡献，获得几何约束和波系结构共同作用下的火焰精细结构、复合燃烧模式和能谱特征，建立描述反应混合层生长过程的预测模型，从细观层面揭示复杂波系作用下超声速反应混合层的释热规律及耦合机制，探索控制超声速反应混合层生长的方法，为实现受限空间内的可控燃烧提供技术支撑。

在高超声速飞行技术的牵引下，高速湍流燃烧成为了航空航天推进领域的关注热点，也是燃烧学科亟待解决的基础性课题，其核心是几何构型约束下湍流-燃烧-激波之间的相互作用。. 本研究以吸气式高超声速动力系统为工程应用背景，提取火箭冲压组合发动机（RBCC）支板火箭射流燃烧过程中的主要特征，通过“受限空间内超声速反应混合层”这一模型对超声速火箭射流与超声速空气来流之间的掺混燃烧过程进行表征。围绕“受限空间内复杂波系作用下超声速反应混合层的生长特性”和“复合型流场中多种燃烧模式作用下超声速反应混合层的释热特性”这两个核心问题，通过大涡模拟技术、阴影技术、吸收光谱技术、自发辐射技术、传感器技术等对受限空间内超声速反应混合层开展研究。. 本研究结合反应混合层的厚度增长曲线和对流马赫数分布曲线，讨论了激波对反应混合层可压缩性的影响，分析了激波对其生长的积极和消极作用，获得了受限空间内复杂波系作用下超声速反应混合层的生长特性。从掺混角度出发分析了反应混合层生长过程中的扩散燃烧模式和预混燃烧模式；从流动角度出发分析了反应混合层生长过程中的超声速燃烧模式和亚声速燃烧模式。通过滤波函数建立了不同燃烧模式与释热率之间的映射关系，计算了不同燃烧模式对应的释热量及释热区域大小，并进一步提出了释热贡献率、燃烧区域比、修正的流道平均马赫数等量化参数，获得了复合型流场中多种燃烧模式作用下超声速反应混合层的释热特性。