力學(xué)所斜爆轟波燃燒機理研究取得進展

　　爆轟波是一種特殊的燃燒波，主要特點是利用激波壓縮實現(xiàn)自點火，并在高壓下快速放熱。作為最迅速的燃燒方式，在發(fā)動機中組織爆轟燃燒成為一個困難重重但是極具吸引力的想法，獲得了國際學(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)動機解決方案，其中斜爆轟沖壓推進不僅具有燃燒迅速、熱循環(huán)效率高的優(yōu)勢，而且結(jié)合了常規(guī)超燃沖壓推進的優(yōu)點，在馬赫數(shù)大于10的高超聲速推進中具有較大的應(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)會失穩(wěn)形成復(fù)雜的胞格結(jié)構(gòu)。在斜爆轟推進中，這種胞格結(jié)構(gòu)會對發(fā)動機的燃燒效率和推進性能產(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)過程對來流擾動非常敏感，研究難度很大。中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室的激波與爆轟物理課題組，對斜爆轟結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性開展了研究，在胞格形成機理及其量化規(guī)律方面取得進展，可望對斜爆轟沖壓推進系統(tǒng)的設(shè)計起到推動作用。

　　以前的研究已經(jīng)表明斜爆轟波面會在小擾動作用下失穩(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、合并實現(xiàn)自我強化，進一步發(fā)展為較強的左行橫波（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)雜流場分析的動態(tài)統(tǒng)計方法，首次對失穩(wěn)后胞格結(jié)構(gòu)形成的定量規(guī)律進行了分析。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，研究得到了國家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。