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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——

  由中国人民解放军国防科学技术大学王振国教授带领的研究团队,经过实验、计算和理论分析,首次揭示了超燃冲压发动机内一种新的低频燃烧不稳定机制,即周期性火焰逆传导致的低频燃烧振荡。该研究成果在第35届国际燃烧学会上报告并于2015年在国际燃烧学领域顶级期刊Proceedings of the Combustion Institute(2015, 35:2137-2144)上发表。

  燃烧不稳定是燃烧领域中一个非常重要的问题,也是发动机研制过程经常遇到的一个难点问题。对于火箭发动机和亚燃烧冲压发动机,燃烧室内气流为亚声速,在亚声速气流中实现燃烧释热后通过一个物理喉道使气流加速为超声速排出以产生推力。此时,声波扰动可以在燃烧室中逆流传播,并与燃烧放热相耦合,从而产生燃烧不稳定现象。与此不同的是,超燃冲压发动机燃烧室内气流保持为超声速,且燃烧室下游无物理喉道,因此其不稳定机制较之火箭发动机和亚燃烧冲压发动机有所不同。虽然目前国内外的研究已证实超燃冲压发动机燃烧不稳定问题的存在,但是对其产生和作用机制还远未形成系统深入的认识。

  王振国教授课题组经过长期努力,建成了一批超燃冲压发动机地面实验装置,发展了系列先进光学测量技术(NPLS、PIV、PLIF等)和超声速燃烧流动高精度数值模拟方法,利用实验和数值模拟手段系统研究了超燃冲压发动机燃烧室内的非稳态燃烧过程。研究发现,当发动机内存在一个位置随时间变化的热喉道时,若从燃料喷注点到稳焰凹腔之间形成了一个燃料/空气的预混区,那么稳定在凹腔的引导火焰可以重新点燃上游的燃料/空气混合物并经历一个类似于爆燃转爆震(DDT)的过程。这个过程与燃料喷注点上游的火焰猝熄相耦合,从而形成一个DDT类型的低频燃烧振荡循环。结合计算与理论分析,建立了该低频燃烧不稳定的数学物理预估模型。该研究揭示了超燃冲压发动机内低频燃烧不稳定新机制并进行理论解析,对深入理解超声速燃烧机理和设计超燃冲压发动机具有重要的参考意义。

  该研究得到国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、集成项目等多项研究类项目资助。

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