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吸气式冲压发动机和冲压组合发动机是实现高超声速飞行的动力基础，是未来大型可重复使用空天飞机和临近空间飞行器的优选动力方案之一。对于宽速域、大空域和多模态工作的冲压及冲压组合发动机，湍流燃烧的动态特性是此类高超声速动力装置燃烧过程的一种固有的内在特征。来流条件变化、流道结构调整和燃料喷射策略调节等外部因素，与湍流掺混、燃烧释热和激波传递等非稳态物理-化学过程内部因素的共同作用，造成了具有强随机性的湍流流动与具有强不确定性的燃烧过程的高度耦合。
高速来流条件下的超声速燃烧与亚声速燃烧模式判别与分布，部分预混条件下的预混燃烧与扩散燃烧模式判别与分布，多模式共存条件下的空间释热分布规律与时间演化特征，动态燃烧条件下的高速气流中的点火、火焰传播与稳定、熄火过程等，是冲压及冲压组合发动机燃烧室精细化设计面临的基础性课题。而高精度的数值模拟方法是支撑国家空天一体化战略，如宽速域发动机等动力装置自主研发的重要手段，可大幅度提高重要装备的研制效率和产出效能。
本文正是以高超声速动力装置中的燃烧过程固有的动态特性为研究背景，以典型的支板构型模型燃烧室和支板/凹腔组合式构型模型燃烧室为研究对象，以高精度大涡模拟计算方法结合理论分析和数据挖掘为研究手段，围绕“超声速来流下的燃烧模式分布与释热动态演化”和“高速气流中的火焰传播特性与火焰稳定机制”这两个核心科学问题，开展基础研究。研究结果为多种燃烧模式下的燃烧组织调控、宽范围工作的火焰稳定器设计和湍流-燃烧的亚网格模型改进提供指导。本文的主要研究内容和重要结论如下：
(1)根据发生燃烧时气体的流动马赫数，提出了划分超声速燃烧模式与亚声速燃烧模式的三种准则。根据发生燃烧时气体的混合状态，提出了划分预混燃烧模式与扩散燃烧模式的三种准则。结合校验算例，通过对比分析验证了引入反映化学反应进度的变量释热率来区分流场中纯流动部分和有释热部分对于准确划分不同燃烧模式的合理性与必要性。
(2)流场中不同速域的气流受不同输运扩散机理的主导控制，斜压效应对亚声速气流、膨胀效应对超声速气流中的涡量输运促进作用更为显著。在燃烧室设计中，应增强流向涡量与横向压力梯度，如采用支板流向涡和局部旋流结构设计等。特别是在流场的不同区域可采取不同措施，如在火焰稳定器回流区和燃料喷射后的低速区内，可提高射流/主流总压比、动量比和密度比等以增强斜压效应；而在超声速主流中，可增加燃料喷射级数以增强膨胀效应。
(3)基于滤波方法建立了构建超声速燃烧和亚声速燃烧、预混燃烧和扩散燃烧的空间概率密度分布统计分析方法，推导了有限样本空间估计无限总体空间的统计不确定性传递函数。在大涡模拟亚网格尺度燃烧模型的开发中，可根据直接求解尺度上已知的燃烧模式概率分布建立亚网格尺度上的类比模型，具备从亚声速到超声速、从扩散燃烧到预混燃烧的宽范围模拟能力。
(4)建立了定量化计算与回流区相关的、控制着火焰传播与稳定的两种时间尺度和能量尺度的分析方法，研究了支板和支板/凹腔组合式火焰稳定器的稳焰机制。在较低总温下，需借助回流区的点燃作用，通过火焰往下游的大尺度传播实现整体燃烧稳定；在中等总温下，通过回流区自身持续的点燃和反射交叉斜激波增强燃烧，共同实现整体燃烧稳定；在较高总温下，通过火焰稳定器的整流机制，形成交叉激波后的局部高温自点火区实现整体燃烧稳定。火焰稳定时，回流区内的能量生成与耗散速率均维持在较高水平，且达到动态平衡。
(5)从能量平衡角度提出了针对点火、熄火过程适用的准静态定量化分析方法，研究了典型工况的点火、熄火过程。在火焰失稳过程中，局部熄火率先出现在回流区内，其能量生成速率持续地小于能量耗散速率。回流区自身无法维持可靠的燃烧状态，导致火焰最终被吹离并形成典型的“脱口”火焰。在火焰建立过程中，局部自点火热点率先出现在凹腔后缘壁面和由于凹腔整流而产生的两道弓形激波交叉点处。局部火焰在往下游大幅度传播的同时也在往上游小幅度逆传，借助凹腔的回流作用实现逆流传播，进而扩展到整个凹腔并成为下游驻定的点火源。在此过程中，回流区的能量积聚效应与化学反应释热形成正向反馈，实现火焰的快速建立与传播。
高速来流条件下的超声速燃烧与亚声速燃烧模式判别与分布，部分预混条件下的预混燃烧与扩散燃烧模式判别与分布，多模式共存条件下的空间释热分布规律与时间演化特征，动态燃烧条件下的高速气流中的点火、火焰传播与稳定、熄火过程等，是冲压及冲压组合发动机燃烧室精细化设计面临的基础性课题。而高精度的数值模拟方法是支撑国家空天一体化战略，如宽速域发动机等动力装置自主研发的重要手段，可大幅度提高重要装备的研制效率和产出效能。
本文正是以高超声速动力装置中的燃烧过程固有的动态特性为研究背景，以典型的支板构型模型燃烧室和支板/凹腔组合式构型模型燃烧室为研究对象，以高精度大涡模拟计算方法结合理论分析和数据挖掘为研究手段，围绕“超声速来流下的燃烧模式分布与释热动态演化”和“高速气流中的火焰传播特性与火焰稳定机制”这两个核心科学问题，开展基础研究。研究结果为多种燃烧模式下的燃烧组织调控、宽范围工作的火焰稳定器设计和湍流-燃烧的亚网格模型改进提供指导。本文的主要研究内容和重要结论如下：
(1)根据发生燃烧时气体的流动马赫数，提出了划分超声速燃烧模式与亚声速燃烧模式的三种准则。根据发生燃烧时气体的混合状态，提出了划分预混燃烧模式与扩散燃烧模式的三种准则。结合校验算例，通过对比分析验证了引入反映化学反应进度的变量释热率来区分流场中纯流动部分和有释热部分对于准确划分不同燃烧模式的合理性与必要性。
(2)流场中不同速域的气流受不同输运扩散机理的主导控制，斜压效应对亚声速气流、膨胀效应对超声速气流中的涡量输运促进作用更为显著。在燃烧室设计中，应增强流向涡量与横向压力梯度，如采用支板流向涡和局部旋流结构设计等。特别是在流场的不同区域可采取不同措施，如在火焰稳定器回流区和燃料喷射后的低速区内，可提高射流/主流总压比、动量比和密度比等以增强斜压效应；而在超声速主流中，可增加燃料喷射级数以增强膨胀效应。
(3)基于滤波方法建立了构建超声速燃烧和亚声速燃烧、预混燃烧和扩散燃烧的空间概率密度分布统计分析方法，推导了有限样本空间估计无限总体空间的统计不确定性传递函数。在大涡模拟亚网格尺度燃烧模型的开发中，可根据直接求解尺度上已知的燃烧模式概率分布建立亚网格尺度上的类比模型，具备从亚声速到超声速、从扩散燃烧到预混燃烧的宽范围模拟能力。
(4)建立了定量化计算与回流区相关的、控制着火焰传播与稳定的两种时间尺度和能量尺度的分析方法，研究了支板和支板/凹腔组合式火焰稳定器的稳焰机制。在较低总温下，需借助回流区的点燃作用，通过火焰往下游的大尺度传播实现整体燃烧稳定；在中等总温下，通过回流区自身持续的点燃和反射交叉斜激波增强燃烧，共同实现整体燃烧稳定；在较高总温下，通过火焰稳定器的整流机制，形成交叉激波后的局部高温自点火区实现整体燃烧稳定。火焰稳定时，回流区内的能量生成与耗散速率均维持在较高水平，且达到动态平衡。
(5)从能量平衡角度提出了针对点火、熄火过程适用的准静态定量化分析方法，研究了典型工况的点火、熄火过程。在火焰失稳过程中，局部熄火率先出现在回流区内，其能量生成速率持续地小于能量耗散速率。回流区自身无法维持可靠的燃烧状态，导致火焰最终被吹离并形成典型的“脱口”火焰。在火焰建立过程中，局部自点火热点率先出现在凹腔后缘壁面和由于凹腔整流而产生的两道弓形激波交叉点处。局部火焰在往下游大幅度传播的同时也在往上游小幅度逆传，借助凹腔的回流作用实现逆流传播，进而扩展到整个凹腔并成为下游驻定的点火源。在此过程中，回流区的能量积聚效应与化学反应释热形成正向反馈，实现火焰的快速建立与传播。