超燃冲压发动机燃烧室热环境模拟技术

超燃冲压发动机燃烧室热环境研究是保证发动机长时间稳定、高效运行的基础，其研究还可以避免不合理的热环境导致发动机壁面局部温度过高和发动机效率低下，是高超声速飞行器推进系统研制过程中需要研究的重大基础问题之一。超燃冲压发动机的燃烧流场结构在空间和时间上有着多尺度特征。为了对如此复杂的多尺度物理问题进行高效、准确的数值研究，本项目拟开展高精度湍流燃烧模拟，高精度湍流流动模拟，和高精度辐射换热模拟等三项制约发动机热环境计算精度的数值模拟技术研究。同时，考虑到超燃发动机设计的阶段性需要，还将针对概念设计和初始设计阶段的需求，通过理论分析和对高精度数值模拟结果进行拟合给出燃烧室内辐射换热和对流换热的工程估算关联式。作为数值模拟的重要环节，本项目将基于大量的超声速燃烧试验数据，开展超燃冲压发动机燃烧数值模拟的验证工作，致力于为高超声速科技的发展提供高效可靠的数值分析结果。

超燃发动机的热环境模拟包括燃烧室内的非预混湍流燃烧，高温燃烧气体与发动机壁面的辐射和对流换热；超燃发动机热环境CFD模拟精度严重依赖于是否采用合适的湍流流动模型、湍流燃烧模型以及辐射换热模型的计算精度，本项目针对超燃发动机全面开展了高精度辐射换热模型研究，湍流燃烧模型的研究，以及湍流流动模型的研究。为保证超燃发动机燃烧的精确模拟首先必须采用合适的湍流流动模型精确模拟燃料和空气的湍流掺混；与实验数据对比表明k-ω SST湍流流动模型能够精确模拟激波生成湍流以及边界层生成湍流，适合于超燃发动机的湍流流动模拟。湍流燃烧模型建立了网格内燃料/氧化剂实现分子层面混合/燃烧的微观结构与网格宏观参数的桥梁；与实验数据对比表明采用最优A值的EDM模型能够精确模拟超燃发动机内的湍流燃烧；为提高EDM模型对其他湍流燃烧的通用性，项目组提出了修改版的EDM模型并通过大量的试验数据进行了验证。精确地模拟超燃发动机内气体与壁面的辐射换热对发动机燃烧室内总的热平衡和燃烧室壁面局部过热分析至关重要，精确地模拟气体辐射换热需要采用精确的波谱模型，计算非常耗时，工程上不可行，项目组提出的灰气体辐射程序法能精确定位最大辐射热流密度位置且计算误差能够控制在10%以内。相关研究成果已经发表在国际国内的权威杂志上，共发表论文10篇；其中Progress in Energy and Combustion Science 邀稿1篇，Combustion Science and Technology 1 篇，Progress in Computational Fluid Mechanics 1篇；EI论文5篇，其他杂志论文1篇，会议论文1篇。项目执行期间培养硕士毕业生5名。