超燃冲压发动机中喷射方案对不对称现象影响的数值研究

作者及机构
本研究由国防科学技术大学高超音速冲压发动机实验室的Guangwei Ma、Mingbo Sun*、Guoyan Zhao、Changhai Liang、Hongbo Wang和Jiangfei Yu共同完成，研究成果发表于《Chinese Journal of Aeronautics》2023年第36卷第1期（216–230页）。

学术背景
超燃冲压发动机（scramjet）因其高比冲和结构简单，被认为是高超声速飞行器最具潜力的推进方式。根据横截面构型，超燃冲压发动机可分为矩形和圆形两种。然而，当背压足够高时，两类发动机均会出现不对称分离现象，严重影响燃烧性能。此前研究多聚焦于单一构型或喷射方案的局部影响，而对喷射方案如何系统性影响不对称现象（asymmetric phenomenon）的机理尚未完全阐明。本研究旨在通过数值模拟，揭示矩形和圆形超燃冲压发动机中喷射方案与不对称分离及燃烧特性的关联机制。

研究方法与流程
1. 数值模型与验证
- 采用自主研发的三维RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）求解器，结合FPV（Flamelet/Progress Variable）燃烧模型和SST k-ω湍流模型。
- 通过网格独立性验证（粗、中、细三套网格对比），选定中等网格（729万单元）确保计算精度。与实验数据对比显示，壁面压力分布和火焰结构（通过HSC图像与进度变量contour对比）吻合良好，验证了代码可靠性。

1. 研究对象与工况设计

   • 矩形发动机：设计三种喷射方案（Rectangular-1至3），包括单排6孔（高压）、双排12孔（低压）和均匀分布12孔，全局当量比固定为0.47。
     
   • 圆形发动机：设计五种喷射方案（Circular-1至5），涵盖单排均匀分布、双排非均匀/均匀分布及四排非均匀/均匀分布，当量比为0.2以避免进气道不起动。
     

2. 数值设置

   • 边界条件基于Ma=6飞行条件下的激波后参数（见表1），燃料为乙烯（C2H4），采用San Diego烃类燃烧机理（39种组分、173个基元反应）。
     
   • 使用Flamemaster生成层流火焰面数据库，并通过预设PDF方法生成湍流火焰面数据库。
     

3. 数据分析方法

   • 通过马赫数等值面、OH质量分数分布、声速线（sonic line）等分析流动与燃烧特性。
     
   • 定义超音速面积比（Supersonic area ratio）和质心偏移量（Centroid deviation）量化不对称程度。
     

主要结果
1. 矩形发动机
- 角区分离主导：由于角区边界层效应（corner boundary-layer effect），分离优先发生于对角两侧，仅两个角区出现严重分离（图5）。Rectangular-1和2的双排喷射方案因射流相互作用增强了燃料穿透深度，导致更剧烈的燃烧与分离（图9）。
- 均匀喷射的弱化效应：Rectangular-3的均匀分布使分离区域减小，超音速流道面积增加15%（图6），燃烧强度降低，质心偏移量达15 mm（图8），表明流道对称性显著恶化。

1. 圆形发动机

   • 喷射方案决定不对称方向：单排均匀喷射（Circular-1）呈现轴对称流动；而多排非均匀方案（如Circular-2和4）中，分离方向与喷射孔密集分布区（如顶部/底部）一致（图11）。
     
   • 不可预测性：均匀多排方案（Circular-3和5）的分离方向无规律，质心偏移量达6 mm（图14），且质量交换率（图15）在周向分布不均，表明均匀喷射仍可能引发随机不对称。
     

2. 共性与差异

   • 正反馈机制：两类发动机均存在“分离-燃烧增强-背压升高-分离加剧”的正反馈循环（图17）。
     
   • 喉部位置：燃烧腔附近形成类似拉瓦尔喷管的流道收缩（图16），但矩形发动机的角区效应与圆形发动机的周向均匀性差异显著。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了喷射方案对矩形和圆形超燃冲压发动机不对称现象的差异化影响机制，明确了角区效应与周向分布的关键作用。
2. 应用指导：
- 矩形发动机需优化喷射孔数量与压力以平衡燃烧均匀性；
- 圆形发动机推荐单排均匀喷射方案以避免不可控不对称。
3. 方法论创新：开发的FPV-RANS耦合方法为超燃燃烧模拟提供了高精度工具，质心偏移量指标为不对称量化提供了新思路。

研究亮点
1. 首次对比矩形与圆形构型在相同燃烧模型下的不对称特性差异。
2. 发现均匀多排喷射在圆形发动机中仍会导致不可预测分离，挑战了传统设计假设。
3. 通过质心偏移量定量揭示喷射方案对流道对称性的影响程度，为工程设计提供量化依据。

其他发现
- 非均匀喷射方案（如Circular-2）的燃烧强度比均匀方案高20%（图12），但代价是流道稳定性下降。
- 矩形发动机中，燃料穿透深度与分离强度呈正相关（图9），为主动流动控制提供了潜在靶点。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“不对称现象（asymmetric phenomenon）”；期刊名《Chinese Journal of Aeronautics》及作者名保留原格式。）