發動機中的關鍵流體力學問題專題序

連歡

(中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室,北京 100190)

化學燃料發動機通過燃料與氧化劑燃燒,將化學能轉換為工質動能,使機械結構運動或形成高速射流產生沖量而產生動力.其中,吸氣式發動機利用稠密大氣中的氧氣,大幅降低氧化劑攜帶需求,具有較高的能源轉換效率;增壓式發動機依靠自身增壓系統實現燃料和/或氧化劑增壓輸運,具有較強的環境適應性.針對多種天地活動需求,不同的動力循環方式有效支撐了各類運載任務,是運載系統的關鍵技術之一.

發動機進排氣系統以氣體動力學為基礎,發動機燃燒室/推力室以多相反應流體力學和燃燒化學反應動力學為基礎;針對發動機內進氣壓縮、摻混、點火、燃燒、排氣做功等工作過程,可分別提煉出多項流體力學基礎科學問題.化學燃料發動機產業鏈長,覆蓋面廣,對國家安全和國民經濟均有重要保障和帶動效能,流體力學基礎問題研究對科技創新體系具有策源作用.

因此,《力學學報》組織了“發動機中的關鍵流體力學問題”專題,包括2 篇綜述、6 篇研究論文.由于專題篇幅有限,“發動機中的關鍵流體力學問題”科學內涵廣泛,本次專題僅粗略涵蓋了航空發動機、沖壓發動機、火箭發動機三種類型發動機中的部分流體力學問題.希望專題能夠促進學術交流,供相關學者和技術人員參考,使發動機中的關鍵流體力學問題得到持續研究和關注.

專題具體包括:

(1)航空發動機壓氣機流動穩定性

許登科等撰寫的《壓氣機流動穩定性自適應控制方法研究進展》論文,綜述了航空發動機壓氣機流動穩定性自適應控制方法領域的相關進展,主要包括壓氣機流動穩定性通用理論、壁面阻抗邊界擴穩方法、在線實時失速預警方法和自適應擴穩控制方法.為未來智能航空發動機提供了一種自適應擴穩控制關鍵技術.

(2)航空發動機燃燒熱聲振蕩

甘振鵬和楊東撰寫的《帶冷卻氣流的亥姆霍茲共振器的聲類比模型》論文,針對作為航空發動機燃燒室典型被動消聲裝置的亥姆霍茲共振器,建立了預測帶有冷卻氣流的亥姆霍茲共振器安裝于一維聲學管道消聲性能的理論新模型.該模型基于聲類比思想,引入帶有源項的波動方程,有效區分了熵擾動和聲擾動引起的聲源項.

(3)超燃沖壓發動機仿真

孫明波等撰寫的《超燃沖壓發動機仿真:從數值飛行到數智飛行》論文,綜述了基于內外流一體化仿真和疊加多物理場的數值仿真技術現狀,展望了人工智能在數值仿真技術方面的應用前景,在新一代發展時期進行了創新研究范式前沿探索.

(4)多級壓縮乘波體設計

鄭曉剛等撰寫的《基于局部偏轉吻切方法的多級壓縮乘波體設計》論文,針對常規單級壓縮乘波體前體壓縮量不足的問題,基于局部偏轉吻切方法提出一種多級壓縮乘波體設計方法,為復雜外形條件下的高超聲速飛行器設計提供新的思路,是吸氣式沖壓發動機與乘波體飛行器之間高效一體化設計的關鍵技術.

(5)超燃沖壓發動機燃燒組織

時文等撰寫的《乙烯燃料超燃燃燒室流動特性與燃燒穩定性研究》論文,基于紋影、激光誘導熒光、化學自發光高速攝影等高時間分辨率測量方法,系統研究了多種噴注方式條件下乙烯燃料火焰動態變化過程,獲得了先鋒氫條件下乙烯燃料燃燒組織規律.

(6)高馬赫數推進技術

何粲等撰寫的《飛行Ma12 條件超燃發動機流場及燃燒特征分析》論文,為提高高馬赫數發動機數值模擬能力,對AHL3 D 軟件計算方法進行了可壓縮性修正,基于修正模型開展了高馬赫數發動機計算仿真,獲得了飛行Ma12 條件燃燒室三維波系以及燃燒性能特征.

(7)激波與爆轟物理

韓信等撰寫的《提高高馬赫數超燃沖壓發動機推力的理論方法》論文,對超燃沖壓發動機燃燒室內的爆燃波傳播特性以及提高發動機工作馬赫數的方法進行了理論研究,探討了斜爆轟以及激波誘導燃燒發動機在高馬赫數發動機中的應用前景.

(8)液體燃料火箭發動機霧化機理

關新燕等撰寫的《Oldroyd-B 黏彈性液滴碰撞過程的數值模擬》論文,針對聚合物膠凝劑霧化產生黏彈性液滴的問題,對兩個等體積黏彈性液滴的碰撞行為進行了直接數值模擬研究,給出了松弛時間、黏度比、韋伯數和碰撞因子對黏彈性液滴碰撞過程的影響規律.