中文摘要：

超燃冲压发动机内空气来流在燃烧室内的停留时间只有几毫秒，燃烧效率较低，为强化超燃条件下的燃烧过程，本研究提出在燃烧室内设置烧蚀支板这一新的设计思想，即采用燃料喷注支板与烧蚀支板组合的设计方案，将烧蚀支板设置在燃料喷射支板的下游，利用烧蚀支板所具有的高温特性来强化液体燃料的燃烧过程。申请人先期开展的数值模拟研究表明，烧蚀支板可增强气体燃料和空气的混合，有助于提高燃烧效率。对于液体燃料而言，还存在液体燃料喷射、雾化、蒸发、混合、着火、燃烧等过程，因此，超燃条件下烧蚀支板表面所具有的高温特性对上游支板喷射的液体燃料蒸发及燃烧过程的影响如何，是本项目研究的核心问题。本研究采用实验、理论分析和数值模拟的研究手段，研究烧蚀支板对液体燃料蒸发及燃烧过程的作用规律，并进一步探讨超燃条件下烧蚀支板的烧蚀特性及阻力特性，深化对超燃条件下燃烧过程的认识。为提高超燃冲压发动机燃烧室内液体燃料的燃烧效率提供依据。

结论摘要：

本项目以强化超燃冲压发动机燃烧室的燃烧性能为背景，提出了燃料喷注支板与烧蚀支板组合的燃烧室新方案，采用数值模拟方法研究了新方案对超燃冲压发动机燃烧室性能的影响。在超燃冲压发动机燃烧室内加入烧蚀支板后，增强了燃料与空气的混合，提高了火焰稳定效果，而且烧蚀支板还是一个稳定的点火源，这些因素最终导致带烧蚀支板的燃烧室的燃烧效率高于不带烧蚀支板的燃烧室。相比于单燃料喷注支板的燃烧室而言，在超燃冲压发动机燃烧室内加入烧蚀支板后，虽然燃烧室内的总压恢复系数有所下降，但燃烧室内燃料与空气的混合效率及燃烧效率均有显著提高，燃烧效率的提高弥补了燃烧室内的总压损失，使得燃料喷注支板和烧蚀支板组合方式下的燃烧室比冲高于单燃料喷注支板时的比冲。基于颗粒动力学理论，在双流体模型离散相控制方程中引入离散相压力和拟温度，通过对离散相控制方程进行特征分析，证明了其控制方程系统为强双曲型系统，解决了离散相控制方程求解的适定性问题。由于两相控制方程具有一致的形式和性质，从而实现了采用统一的迎风型数值格式进行离散求解。对可压缩两相流动的双流体模型数值计算的稳定性条件进行了研究，通过对气粒两相控制方程源项引起的刚性问题研究，得到了区别于单颗粒动力学理论的双向耦合双流体模型弛豫时间。基于可压缩两相流动双流体模型，对超声速来流中液雾垂直射流流场进行了数值模拟，得到了合理的气相流场波系结构以及液雾流场分布。通过建立液滴粒径分布的经验模型，在液雾相控制方程中体现了液滴粒径分布的影响，粒径分布模型的引入改善了通常假定单一粒径情形的数值模拟结果。对后台阶构型的超燃冲压发动机燃烧室内的超声速流动过程进行了数值模拟研究，分析了不同来流马赫数和不同后台阶扩张比对后台阶流动再附长度的影响，并得到了高马赫数条件下的再附长度的变化趋势。针对凹腔/支板构型的超燃冲压发动机燃烧室中液态煤油燃烧工况进行了数值模拟，由于支板的存在，煤油射流穿透深度有明显增大，燃料与空气形成的剪切混合层较狭长，同时煤油蒸气在沿程射流轨迹附近富集，燃料与空气的混合效率提高，适合于燃烧反应的高温区主要集中在凹腔及壁面附近。此外，以液雾流场中液滴间的相互作用问题为背景，分别采用界面追踪方法和光滑粒子动力学方法对液滴碰撞过程进行了数值模拟研究，模拟得到的液滴碰撞后的融合及分离结果与实验现象吻合较好。