力學(xué)所斜爆轟波燃燒機(jī)理研究取得進(jìn)展

　　爆轟波是一種特殊的燃燒波，主要特點(diǎn)是利用激波壓縮實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火，并在高壓下快速放熱。作為最迅速的燃燒方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)中組織爆轟燃燒成為一個(gè)困難重重但是極具吸引力的想法，獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。最近幾十年，研究者提出了多種基于爆轟燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案，其中斜爆轟沖壓推進(jìn)不僅具有燃燒迅速、熱循環(huán)效率高的優(yōu)勢(shì)，而且結(jié)合了常規(guī)超燃沖壓推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，在馬赫數(shù)大于10的高超聲速推進(jìn)中具有較大的應(yīng)用潛力。

　　由于爆轟波的內(nèi)在不穩(wěn)定性，激波和燃燒的耦合結(jié)構(gòu)會(huì)失穩(wěn)形成復(fù)雜的胞格結(jié)構(gòu)。在斜爆轟推進(jìn)中，這種胞格結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和推進(jìn)性能產(chǎn)生影響，因此成為斜爆轟研究的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。然而，在高速來流中形成駐定的斜爆轟波非常困難，且波面失穩(wěn)過程對(duì)來流擾動(dòng)非常敏感，研究難度很大。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激波與爆轟物理課題組，對(duì)斜爆轟結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性開展了研究，在胞格形成機(jī)理及其量化規(guī)律方面取得進(jìn)展，可望對(duì)斜爆轟沖壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到推動(dòng)作用。

　　以前的研究已經(jīng)表明斜爆轟波面會(huì)在小擾動(dòng)作用下失穩(wěn)，說明波面本身是內(nèi)在不穩(wěn)定的，但是失穩(wěn)后的胞格形成機(jī)理還不清楚。圖1顯示了波面失穩(wěn)后斜爆轟胞格形成的動(dòng)力學(xué)過程。失穩(wěn)形成的弱橫波（TW1-TW4），在向下游傳播過程中通過碰撞、合并實(shí)現(xiàn)自我強(qiáng)化，進(jìn)一步發(fā)展為較強(qiáng)的左行橫波（TWa-TWb）。這種左行橫波間距較大，從而誘導(dǎo)了另一組右行橫波的形成，共同構(gòu)成了斜爆轟胞格的最終形態(tài)。這與一般爆轟波起始中，過驅(qū)動(dòng)爆轟波衰減為CJ爆轟波的過程是類似的。因此可以得出結(jié)論，高速氣流中的斜爆轟波和靜止氣體中的多維爆轟波的胞格形成機(jī)理是一致的。

　　為了定量地研究斜爆轟波失穩(wěn)特性，圖2利用數(shù)值煙跡圖（numerical smoke foil record）顯示了不同的活化能對(duì)斜爆轟胞格結(jié)構(gòu)的影響，可以看到高活化能斜爆轟波容易失穩(wěn)而低活化能不容易失穩(wěn)。該研究通過引入復(fù)雜流場(chǎng)分析的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)方法，首次對(duì)失穩(wěn)后胞格結(jié)構(gòu)形成的定量規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示低活化能條件下，胞格結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和失穩(wěn)規(guī)律是定性一致的，但是在高活化能條件下，胞格結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和失穩(wěn)規(guī)律出現(xiàn)了偏離。研究結(jié)果不僅揭示了胞格形成的復(fù)雜性，而且為波面結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

　　上述研究結(jié)果發(fā)表在燃燒領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊Combustion and Flame（Evolution of cellular structure on oblique detonation surfaces. Teng, Honghui; Ng, Hoi Dick; Li, Kang; Luo, Changtong; Jiang, Zonglin. Combustion and Flame, 2015, 162: 470-477.）上，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。