超声速燃烧部分预混火焰面模式判别与建模研究

采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，对超燃冲压发动机内超声速湍流燃烧中存在的部分预混火焰面模式进行研究。利用空间与时间高分辨率的PLIF系统、PIV系统、高速纹影等设备对超声速燃烧的火焰特征、火焰扩散及火焰传播进行观测，对超声速燃烧条件下的火焰模式进行甄别并研究火焰面模式的存在形式及存在条件。通过完善考虑激波作用、点火/熄火复杂化学过程的部分预混火焰面模型，对超声速湍流燃烧的火焰扩散、火焰传播进行大涡模拟，与实验结果进行对照，明晰超声速湍流燃烧中部分预混火焰面模式的存在规律及部分预混火焰的扩散、传播规律。该项研究将明确超声速条件下火焰面模式的适用条件以及建模问题，并对超声速燃烧火焰面模式的应用进行合理引导。

本项目综合运用理论分析、数值计算、实验研究等多种手段对超燃冲压发动机内超声速湍流燃烧中存在的部分预混火焰面模式进行了研究。. 根据超声速流的特点建立了考虑激波作用的超声速燃烧稳态火焰面模型，将其与混合RANS/LES方法相结合形成超声速燃烧流场计算程序，并以三维超声速混合层燃烧流场为例进行了程序验证。. 从理论上系统地对超燃冲压发动机燃烧室内部的超声速燃烧流场是否满足火焰面模型假设进行了判别，结果表明对于非预混燃烧，除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外，其余也均满足火焰面模型假设。以支板喷氢超声速燃烧流场为例进行数值计算，以便从定量上对燃烧模式进行细致判别，结果发现超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区，且整个流场中火焰面模型假设成立。. 针对稳态火焰面模型在临界标量耗散率附近的处理方法会导致解的不连续，进而可能引发流场非物理解和数值不稳定等缺陷，建立了考虑激波作用的超声速燃烧火焰面/进度变量模型以及基于Level set方法的G/Z方程部分预混燃烧模型，并提出了一种高效的火焰面数据库生成方法，通过对三维平板喷流、支板喷流、凹腔火焰稳定超声速燃烧流场进行计算，对模型进行了验证。. 为了考察所建立的火焰面/进度变量模型与G/Z方程部分预混燃烧模型用于描述带有复杂构型超声速燃烧流场的适用性，采用OH-PLIF、高速摄影实验和数值计算等手段分别对带有支板和凹腔的超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧流场进行研究。实验与计算结果的对比分析表明，所建立的火焰面/进度变量模型和G/Z方程部分预混模型可用于描述带有复杂构型的超声速燃烧。. 通过三年的研究，该项目明确了超声速条件下火焰面模式的适用条件以及建模问题，并采用火焰面模型对超声速燃烧进行研究，揭示了超声速燃烧火焰稳定、传播与扩散的相关机理。