近真实条件下双模态冲压发动机燃烧模态的形成及转换机理

In order to achieve better performance of a dual-mode ramjet engine, it is necessary to match different combustion modes for different flow conditions. The formation and transition mechanism is the basis of combustion mode selection and optimization, and it is very important for the economic, safe, efficient operation of a dual-mode ramjet engine. The combustion mode formation and transition mechanism is carried out in a fixed flow conditions, and it neglects the effect of variable flow conditions (Mach number, total pressure and total temperature) on formation and transition mechanism of combustion mode at real flight conditions. .This project takes the direct-connect combustion chamber as the research object, studies the formation and transition mechanism of combustion mode at near real flight conditions, by combining 3-D massively parallel computing with advanced non-contact diagnosis of the internal flow field and high accuracy ground test. To simulate the real flight process, the changes of isolator entrance parameters (Mach number, total pressure and total temperature) can be achieved by the high enthalpy semi-flexible nozzle technology. This project focuses on the coupling process between shock wave/boundary layer and the combustion heat release, the transition condition and stability of combustion mode, the transition path optimization. The mathematical formulation of combustion mode at nearly the real conditions is given finally.

为了实现更好的双模态冲压发动机性能，需要针对不同来流条件匹配不同的燃烧模态。燃烧模态形成与转换机理是研究燃烧模态选择和优化的前提条件，这对于获得经济、安全、高效的发动机至关重要。当前燃烧模态形成及转换机理研究基本都是在固定来流条件下开展的，忽略了真实飞行条件下来流参数(马赫数、总压和总温同时改变)连续变化对燃烧模态形成及转换机理的影响。.本项目以双模态冲压发动机直连式燃烧室为研究对象，采用三维大规模并行计算技术、先进的燃烧内流场非接触诊断技术和高精度试验相结合的技术途径，通过高焓半柔壁喷管技术连续改变隔离段入口参数(马赫数、总压和总温同时改变)来模拟真实飞行过程中来流参数的连续变化，研究近真实条件下双模态冲压发动机燃烧模态的形成及转换机理，重点研究变来流条件下隔离段激波/附面层与燃烧释热的耦合作用，以及燃烧模态的稳定性、转换条件和转换路径，最终给出近真实条件下燃烧模态的数学表述。

经过四年的努力，项目组主要取得了以下四方面的进展：1) 创新性地建立了高焓变马赫数喷管地面装置，实现了近真实条件下来流参数的连续可调；2) 通过发展发动机真实工作条件下的非接触诊断技术，验证了CFD软件的准确性和可靠性，并将大规模并行计算、先进的燃烧内流场非接触诊断和高精度地面试验相结合研究燃烧模态的形成机制及数学表述方法; 3) 通过变来流条件下燃烧流场的数值计算结果和H-K图分析，并结合实验结果，获得了燃烧模态是由边界层分离触发的，而不是热壅塞触发的。所有改变上游边界层的因素(壁面加热，边界层增厚等)都会诱发模态转换。在此基础上，给出了燃烧模态的定义，并基于隔离段出入口静压比(p2/p1)与有效核心面积比(A2c/A1)关系图方法，创造性地建立了燃烧模态的数学表述；4) 创新性地建立了能够描述双模态冲压发动机燃烧模态转换过程的数学模型，获得了不同马赫数、当量比下燃烧模态的转换边界和转换路径，证明了模态转换存在路径依赖和迟滞特性。. 迄今为止，共发表论文27篇，其中SCI索引24篇，EI索引2篇。申请发明专利7项，其中已授权发明专利3项。获软件著作权2项，获部委级科技进步二等奖1项。培养博士生5名，硕士生6名，1人获全国“百优”博士论文：10人次参加国际学术交流会议，并参加和举办10余次国内学术研讨会。