【摘 要】
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实现高效超声速燃烧是研制超燃冲压发动机的关键技术。由于地面实验代价极高且测量手段有限，高保真度数值模拟成为超声速燃烧基础研究的必要手段。 本研究基于可压缩反应流
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实现高效超声速燃烧是研制超燃冲压发动机的关键技术。由于地面实验代价极高且测量手段有限，高保真度数值模拟成为超声速燃烧基础研究的必要手段。 本研究基于可压缩反应流数值计算平台AstroFoam，采用基于改进延迟分离涡(IDDES)的混合雷诺时均/大涡模拟（RANS/LES）湍流模拟框架和部分搅拌反应器(PaSR)湍流燃烧模型，分别研究了真实超燃冲压发动机燃烧室中氢气和国产RP-3航空煤油的超声速燃烧特性。 超声速横向射流是超声速燃烧研究的一个经典问题，其复杂的三维流场结构极大影响燃料与空气的混合及其后续燃烧。本研究首先选取氢气作为燃料研究超声速横向射流的燃烧特性，因其化学反应动力学相对简单。本研究数值计算预测壁面压力曲线与实验相符良好，优于现有文献中数值计算结果。模拟捕捉到了三维超声速横向射流结构的主要特征。结合Q准则（速度梯度张量的第二不变量）等值面与OH质量分数等高线分布，燃烧区域被分为混合区、点火区和湍流燃烧区。混合区内燃料与空气混合不充分，无法实现自点火。待进入点火区，射流核心脱离壁面，部分区域燃料与空气进入燃烧区域，开始点火。点火区下游燃料与空气已充分混合，在上游自由基作用下燃烧室内出现大面积火焰。对流向截面分析表明，点火源头位于射流核心与主流间的剪切层内，开尔文-赫姆霍兹不稳定性可能是引起点火的深层原因。 航空煤油超声速燃烧针对轴对称燃烧室结构进行研究。煤油组分复杂，为降低模拟复杂RP-3复合物燃烧化学反应的巨大计算代价，研究采取三组分替代表征RP-3的化学组成，并利用耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图法简化得到39组分/153反应的骨架机理。骨干机理在各方面都与详细机理接近。更进一步，燃烧化学反应计算采用ISAT加快化学反应计算速率。数值计算壁面压力分布与实验值基本相符。三维流场分析表明进气道内边界层过早分离，会导致较低的燃料穿透深度，并且抑制燃料/空气混合。燃烧最剧烈区域在两凹腔附近剪切层内。燃烧室中轴线附近始终处于超声速，其组分几乎不受燃烧影响。上游凹腔段燃烧都发生在亚声速区域，下游区域燃烧与马赫数无明显关联。鉴于大分子燃料在高温高压时可能发生聚合反应而不是分解反应，而本文所用骨干机理并未包含聚合机理，这可能是导致边界层提前分离的原因之一。
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