3.8 超声速气流中缓燃与爆震的传播、相互转化机理及其应用研究
爆震燃烧因其较高的释热效率在推进领域备受关注，是先进高超声速推进技术的一个重要发展方向，在推进系统中有广阔的应用前景。爆震燃烧是耦合了强激波和波后剧烈化学反应并以超声速传播的燃烧波，具有等容燃烧的热力学特征，能够迅速释放更多的机械能。在发展基于爆震燃烧的动力系统过程中，起爆一直是关键问题，可靠的爆震起爆是爆震燃烧研究的核心技术之一。直接起爆能够用较大的点火能量使得爆震能够在较短时间较少距离内形成，是更加接近实际应用的一种点火方式。除了强冲击波和爆震波以外，直接起爆还能通过带有高化学活性的热射流来完成。本项目针对超声速气流中热射流起爆与爆震传播的相关问题，阐明了超声速气流中的热射流起爆机理及关键因素影响规律，初步验证了基于爆震燃烧的超燃冲压发动机的可行性，为未来发展高效的新概念高超声速冲压发动机奠定了坚实基础。本项目主要得到以下结论。
①系统开展了超声速预混气中热射流起爆与传播过程的精细数值模拟与实验研究，验证了热射流直接起爆超声速预混气的可行性，清晰阐明了超声速预混气热射流起爆机理与传播规律，讨论了超声速来流条件下热射流对爆震的控制功能，并且通过实验观测，对超声速来流条件下爆震波的传播模态进行了研究。由于K-H不稳定性，热射流喷注进超声速流场后会诱导形成一个剪切层分界面，这整个剪切层分界面作为一个自由边界，导致爆震波后压力增加，继而促成过驱爆震的形成。通过控制热射流的喷注可以间接控制剪切层自由边界的形成，从而实现对超声速可燃气爆震波传播的控制。当喷入热射流形成剪切层自由边界时，流场中形成过驱爆震；反之，当关闭热射流剪切层自由边界消失时，流场中过驱爆震衰减为查普曼-茹盖（Chapman-Jouguet，C-J）爆震。实验观测中发现超声速可燃气实现热射流点火后流场中主要存在两种燃烧模式，即斜激波诱导燃烧和斜激波/马赫爆震波，并且两种模式之间存在相互转化的可能性。
爆震起爆的条件，对于超声速可燃气的马赫数以及压力两个参数存在着一个成功起爆的区间，而对于热射流马赫数、热射流压力、热射流孔径以及管道高度等参数，存在一个是否起爆成功的临界值。利用自适应AMROC模块对自由流马赫数、热射流马赫数、自由流压力、热射流压力、热射流直径、自由流通道高度等流动参数和几何参数对超声速可燃气爆震起爆的影响的模拟研究可以发现，起爆存在一个自由流马赫数范围（Ma∞min，Ma∞max）。当Ma∞值超过该范围时，热射流不能起爆，流场保持稳定的激波或热射流引起的激波反射。对于其他参数（包括热射流马赫数、自由流压力、热射流压力、热射流直径和自由流通道高度），存在一个起爆临界值。当它们大于临界值时，最终可以实现起爆，参数越大，起爆越快；否则，流场将保持激波或激波反射的最终稳定状态。对于自由流压力和自由流通道高度，当它们大于临界值时，流场也将保持最终的稳定状态；否则，最终可以实现起爆，起爆参数越小，起爆速度越快。
②国内外首次获得了速度和组分不均匀的超声速预混气中热射流起爆与传播特性与规律，发现了不均匀条件下新的流动现象。通过高精度数值模拟对速度不均匀超声速可燃气开展了系统的研究，采用9种组分（H2、H、O、O2、OH、H2O、HO2、H2O2、Ar）和34种基本反应的详细反应模型分析了速度不均匀条件下热射流爆震起爆的特性以及成功起爆后爆震波自持传播的模态。结果表明，在速度不均匀超声速可燃气中，当热射流诱导的弓形激波到达分界面时，激波在界面处会产生一个转角，以实现分界面处的波后压力匹配。上壁面处的马赫反射最终会导致分界面附近形成一个局部马赫爆震波，从而在流场中实现局部爆震起爆。马赫爆震波的下方三波点沿着弓形激波前传，在下壁面和上方三波点间的连续反射碰撞对下半流场爆震成功起爆作用明显。最终在速度不均匀的超声速可燃气中形成的动态稳定“激波/马赫爆震波”结构以一个整体匀速前传，在上下流场分界面处的曲形激波后面生成了两条平行滑移线，同时因为速度分层和分界面处的曲形激波，生成了四个明显的速度层结构。此外，实验证实了在速度不均匀的超声速来流中，以下半流场的速度为基准，通过改变上半流场的速度，爆震起爆与传播将会呈现不同的规律及特点，发现了可以实现爆震起爆的马赫数范围从均匀流场中的［3.7248，4.656］变为不均匀流场中的［2.328，5.1216］。由此可见，在速度不均匀超声速流场中，能够成功实现爆震起爆的来流马赫数范围在一定程度上增大，从而使得爆震成功起爆的适应性更强。
随后，依据组分平均化学活性，对组分不均匀超声速可燃气中爆震起爆、传播模态进行了深入研究，探索不均匀超声速来流条件下爆震起爆与自持传播的可行性。当混合物化学反应活性较高时，流场中最终都能实现爆震起爆，与混合物在流场中的空间分布无关，并且流场中出现“爆震侧向膨胀”传播模式的四个发展阶段，即爆震起爆、爆震衰减、爆震熄爆以及爆震重新起爆。当混合物反应活性一般时，爆震燃烧在流场中能够完全实现，并且上半流场和下半流场爆震过驱度不同。关闭热射流后，流场中最终形成一个微过驱与微欠驱爆震，并出现一种新的“动态平衡组合爆震”传播模式。当混合物化学活性偏低时，爆震起爆不能实现成功起爆，这种情况下只能采用能量更强的热射流才可以实现爆震起爆。混合物的不同空间分布对爆震的形成和演化具有关键影响，在高度固定的管道中改变混合物的相对分布高度，或者直接改变管道高度调整混合物不同组分的分布范围，最终都将影响流场中的爆震传播形态。
③获得了不同燃烧室构型对起爆与爆震传播的影响规律，开展了超声速爆震原理发动机推力性能试验，测得了爆震模型发动机的有效推力。凹腔的燃烧室构型能够通过其中的震荡和反馈机制实现燃烧稳定，并且作为一种火焰稳定装置在超燃冲压发动机中得到了广泛应用。因此，采用高精度数值模拟对凹腔耦合和扩张型面燃烧室型面条件下超声速可燃气热射流爆震起爆、传播模态以及自持机理开展了系统研究，分别获得了凹腔耦合构型及其与热射流相对位置、扩张型面与扩张角度对爆震起爆与自持传播的影响规律。凹腔内部低速燃烧产生的压力振荡能够增强热射流诱导的弓形激波的强度，从而有助于马赫反射的形成，产生局部起爆点。凹腔对超声速可燃气爆震传播也能发挥作用，关闭热射流后，凹腔内部低速燃烧产生的压力声波能够跨越亚声速通道，作用于上游爆震波面，从而最终导致弱过驱爆震波的形成。对于流过浅凹腔的特定流体而言，存在一个最小的凹腔宽度Lmin。当凹腔宽度小于Lmin时，凹腔只能产生一些压力振荡波，而凹腔振荡不能发生，从而只能对超声速可燃气爆震起爆传播产生相对较小的作用；当凹腔宽度大于Lmin时，则会发生凹腔振荡，能够对爆震起爆和传播产生较大的影响作用。对于浅凹腔，改变凹腔的深度对超声速可燃气爆震起爆传播不会产生额外的作用；而对于深凹腔，通过凹腔自身的共振振荡能够加速超声速可燃气爆震起爆传播，对其产生明显的作用。N-S方程中的黏性扩散效应能够抑制小尺度涡结构的生成，但是对于由于K-H不稳定性发展起来的高度不稳定剪切层涡结构以及里克特迈耶-梅什科夫（Richtmyer-Meshkov，R-M）不稳定性导致的涡结构的影响可以忽略。在临界稳定爆震中，扩张管道膨胀扇引起的流场不均匀性会导致在激波后方生成未燃射流。而由于分离剪切层和R-M 不稳定性生成的大涡结构的扩散效应，未燃射流能够与已燃产物进行混合，进而促进未燃射流的消耗，加快化学释热，最终在热射流持续喷注条件下导致爆震周期传播。关闭热射流后，由于多个次三波点结构和其后的滑移剪切层的生成，爆震波面后方形成高度湍流。相对于众所周知的R-M不稳定性，高度不稳定剪切层中的大尺度涡结构主导了湍流的生成以及未燃射流与已燃产物的快速的湍流混合，进而促进了未燃射流的消耗与化学释热，所以爆震波面通过未燃射流周期性的生成和消耗，基本能够维持在同一位置驻定传播。较大的扩张角度能够诱导形成较大尺寸的未燃射流，进而通过K-H不稳定性形成较大尺度的涡结构。涡结构导致的湍流能够强化马赫干后方未燃反应物与已燃产物的混合速率，进而加快未燃反应物的消耗反应。扩张角度增大尽管会导致更高的膨胀率，但是爆震在扩张管道中传播速度更快，过驱度更大。
④在应用自适应网格加密方法提高计算效率的基础之上，基于天河二号超级计算机系统，发展了三维块结构自适应并行计算平台。采用详细反应模型进行大规模三维爆震自适应网格加密数值模拟，开展了超声速预混气热射流起爆过程的三维大规模并行数值模拟，研究真实三维条件下超声速可燃气爆震的起爆传播特性，并且分析比较二维与三维超声速可燃气热射流爆震起爆传播的联系与区别，进而获得了精细的三维爆震波结构及其发展演化过程。热射流诱导形成的弓形激波面同侧壁以及上壁面发生碰撞反射之后，在上壁面处形成了一个马赫波面，并且同其后燃烧区紧密耦合。通过二维和三维爆震模拟结果对比可以发现，三维爆震中的侧壁效应对超声速可燃气中的爆震起爆作用关键，因为在起爆过程中侧壁能够促进三波线的碰撞与反射，而在同样条件下的二维模拟中，爆震不能成功实现起爆。一定条件下，三维管道前后侧壁之间存在一个爆震成功起爆的临界宽度。当管道宽度大于临界值时，弓形激波面不能实现有效反射，从而导致爆震起爆失败。爆震起爆成功之后，热射流持续喷注时，无论是二维还是三维爆震均实现过驱传播，并且各自均有一个稳定的过驱度。尽管三维爆震过驱度小于对应的二维爆震，但是三维爆震波面结构展现出更大的波动性。三维条件下横波面的传播以及三波线的碰撞可以在多个方向实现，使得三维爆震波面结构同二维爆震相比更加不规则。关闭热射流之后，二维和三维爆震均逐渐衰减为C-J爆震。同二维C-J爆震相比，三维C-J爆震特征参数与二维结构几乎一致，包括C-J速度、横波速度、振荡周期、胞格尺寸等，这说明二维爆震不稳定性在三维爆震中得到了体现。然而与二维爆震不同的是，三维爆震中拍打激波在侧壁的反射使得在主振荡之外形成了一个次振荡模式。拍打激波只存在于三维爆震中，这表明相对于二维爆震，三维爆震体现出了更强的不稳定性。二维和三维爆震的定量压力对比分析验证了这一结果，即三维爆震相对二维爆震体现了更强的波动性。