【仪表网 研发快讯】高马赫数飞行条件下，气流密度的降低和滞止温度的升高会造成分子振动模态激发、离解和电离等热/化学非平衡现象。非平衡效应会影响进气道压缩效率、燃烧室燃烧性能以及尾喷管中的推力输出。因此吸气式高超声速飞行器，在发动机设计和性能分析中考虑热/化学非平衡等真实气体效应具有重要意义。然而，由于湍流、燃烧、热/化学非平衡效应复杂性以及实验/模拟研究手段的缺乏，关于热/化学非平衡效应对湍流燃烧和发动机性能的影响规律和作用机制存在较多争议。
 

　　力学研究所高马赫研究团队针对HyShot II经典构型，实现了2.2亿级网格碳、氢两类燃料高马赫发动机内外流耦合一体化大涡模拟，准确复现了实验发动机燃烧场，从化学动力学角度详细阐释了热化学非平衡效应对于横向喷注激波诱导点火过程的主控机制，揭示了非平衡效应对于发动机性能的影响规律。
 

　　该工作取得突破性进展如下。第一，该研究发展了Dynamic Zone Flamelet Model (DZFM)+Zonal Nonequilibrium Model(ZNM)超声速湍流燃烧热化学非平衡模型，相较于传统模型，该模型计算效率提升了10倍以上，使得原来需要数年的计算量可在168小时内完成。同时，相较于国内外同行普遍少于1000万网格量，该研究实现了超过亿级网格(2.2亿)的非平衡大规模模拟；第二，该研究详细讨论了氢和碳氢两类发动机热化学非平衡规律。分析了在超燃冲压发动机典型温度区间内不同程度的热化学非平衡效应对于不同类型基元反应的影响。发现对于链式分支反应H+O2=OH+O的抑制和对于脱氢离解反应的抑制分别主导氢燃料和乙烯燃料在非平衡条件下点火滞后，如图1和2所示；第三，相关模拟技术有力支撑了国家某重大专项的型号设计，完成了60余工况的亿级网格高保真计算分析，获得了热化学非平衡条件下燃烧效率更低、推力输出更低的规律，校正了传统基于热化学非平衡假设开展的高马赫发动机设计。
 

　　相关工作以“Thermochemical Nonequilibrium Effect on Hydrogen- and Ethylene-Fueled Supersonic Combustion”为题发表于燃烧学领域顶级期刊Combustion and Flame。论文第一作者为力学所22级硕博连读生王宇，通讯作者为姚卫研究员。研究得到了国家自然科学基金(12272387)和中国科学院战略性先导科技专项(XDB0500301)等的支持。
 

图1 (a)氢燃料OH质量分数云图；(b)乙烯燃料H2O质量分数云图
 

　　图2 燃烧室点火区域反应路径通量分析( PFA )图谱(a)氢燃料；(b)乙烯燃料(黑色箭头和文字代表平衡假设下的路径方向和路径流量，而红色代表非平衡。紫色箭头表示具有相同的路径方向。);(c)非平衡和平衡条件基元反应速率比值分布图(上方)H+O2=OH+O；(中间)OH+H2=H2O+H；(下方)C2H4 = C2H3 + H