【儀表網 研發快訊】高馬赫數飛行條件下，氣流密度的降低和滯止溫度的升高會造成分子振動模態激發、離解和電離等熱/化學非平衡現象。非平衡效應會影響進氣道壓縮效率、燃燒室燃燒性能以及尾噴管中的推力輸出。因此吸氣式高超聲速飛行器，在發動機設計和性能分析中考慮熱/化學非平衡等真實氣體效應具有重要意義。然而，由于湍流、燃燒、熱/化學非平衡效應復雜性以及實驗/模擬研究手段的缺乏，關于熱/化學非平衡效應對湍流燃燒和發動機性能的影響規律和作用機制存在較多爭議。
力學研究所高馬赫研究團隊針對HyShot II經典構型，實現了2.2億級網格碳、氫兩類燃料高馬赫發動機內外流耦合一體化大渦模擬，準確復現了實驗發動機燃燒場，從化學動力學角度詳細闡釋了熱化學非平衡效應對于橫向噴注激波誘導點火過程的主控機制，揭示了非平衡效應對于發動機性能的影響規律。
該工作取得突破性進展如下。第一，該研究發展了Dynamic Zone Flamelet Model (DZFM)+Zonal Nonequilibrium Model(ZNM)超聲速湍流燃燒熱化學非平衡模型，相較于傳統模型，該模型計算效率提升了10倍以上，使得原來需要數年的計算量可在168小時內完成。同時，相較于國內外同行普遍少于1000萬網格量，該研究實現了超過億級網格(2.2億)的非平衡大規模模擬；第二，該研究詳細討論了氫和碳氫兩類發動機熱化學非平衡規律。分析了在超燃沖壓發動機典型溫度區間內不同程度的熱化學非平衡效應對于不同類型基元反應的影響。發現對于鏈式分支反應H+O2=OH+O的抑制和對于脫氫離解反應的抑制分別主導氫燃料和乙烯燃料在非平衡條件下點火滯后，如圖1和2所示；第三，相關模擬技術有力支撐了國家某重大專項的型號設計，完成了60余工況的億級網格高保真計算分析，獲得了熱化學非平衡條件下燃燒效率更低、推力輸出更低的規律，校正了傳統基于熱化學非平衡假設開展的高馬赫發動機設計。
相關工作以“Thermochemical Nonequilibrium Effect on Hydrogen- and Ethylene-Fueled Supersonic Combustion”為題發表于燃燒學領域頂級期刊Combustion and Flame。論文第一作者為力學所22級碩博連讀生王宇，通訊作者為姚衛研究員。研究得到了國家自然科學基金(12272387)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB0500301)等的支持。
圖1 (a)氫燃料OH質量分數云圖；(b)乙烯燃料H2O質量分數云圖
圖2 燃燒室點火區域反應路徑通量分析( PFA )圖譜(a)氫燃料；(b)乙烯燃料(黑色箭頭和文字代表平衡假設下的路徑方向和路徑流量，而紅色代表非平衡。紫色箭頭表示具有相同的路徑方向。);(c)非平衡和平衡條件基元反應速率比值分布圖(上方)H+O2=OH+O；(中間)OH+H2=H2O+H；(下方)C2H4 = C2H3 + H
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