波壁射流增强超燃冲压发动机燃烧室混合效率的数值研究

【编辑推荐】针对超燃冲压发动机燃烧室中燃料混合效率低的难题，研究人员创新性地提出波壁射流策略，通过三维RANS模拟结合SST k-ω湍流模型和有限速率化学反应模型，系统研究了波壁振幅对混合及燃烧特性的影响。结果表明，波壁设计可诱导流向涡结构，显著提升湍流强度与燃料混合效率，扩大腔体内高温区并提高燃烧效率，但需权衡总压损失。该研究为高性能燃烧室设计提供了新思路。

　　

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论文解读

在超燃冲压发动机（scramjet）的研发中，燃烧室设计始终是制约性能提升的关键瓶颈。由于燃料在超音速气流中的驻留时间极短，如何实现高效混合与稳定燃烧成为核心挑战。传统研究聚焦于支板、横向射流和凹腔等结构，但混合效率与总压损失的矛盾始终未得到根本解决。近年来，波壁结构因其独特的激波-涡流耦合效应成为研究热点，但现有工作多集中于上下游布局，对波壁射流这一创新构型的探索仍属空白。

为此，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，首次将波壁结构与凹腔燃烧室相结合，提出"波壁射流"新策略。研究采用Song燃烧室为基准模型，通过ANSYS Fluent 2021R1软件进行三维RANS（雷诺平均Navier-Stokes）模拟，运用SST k-ω湍流模型和有限速率化学反应模型，系统分析了不同波壁振幅（案例a0-a2）对流动结构、混合效率及燃烧性能的影响。

关键技术方法

1. 计算模型：基于RANS方程框架，采用SST k-ω模型捕捉湍流特性，结合有限速率化学反应模型模拟乙烯燃烧过程；
2. 几何参数化：以40mm×50mm矩形入口燃烧室为基础，在距入口36mm处设置直径2mm的中心射流孔，波壁振幅梯度设置为0-2mm；
3. 性能评估体系：通过流向涡强度、混合效率、燃烧效率及总压损失等多指标综合评价。

研究结果

流动结构
对称面乙烯质量分数云图显示，波壁结构（案例a1-a2）显著改变了燃料分布模式。与传统平壁（案例a0）产生的弓形激波不同，波壁诱导的流向涡使燃料向上游渗透，形成"双涡对"结构。三维流线可视化证实，波壁振幅增至1.5mm时，涡系尺度扩大38%，湍动能峰值提升2.1倍。

混合特性
截面混合效率量化分析表明，波壁振幅与混合效率呈非线性正相关。案例a1.5在x/d=15处的混合效率达92%，较平壁基准提升27%。这种增强源于波壁产生的压缩激波与剪切层相互作用，促使燃料颗粒径向扩散。值得注意的是，振幅超过1.5mm后效率增益趋缓，显示存在优化阈值。

燃烧性能
OH质量分数分布揭示，波壁案例的高温区体积扩大1.8倍，反应产物质量分数峰值提升至0.15。案例a1.5的燃烧效率达85%，但伴随总压损失增加12%。压力云图显示波壁反射激波系是损失主因，需在设计中平衡性能增益与代价。

结论与意义
该研究首次证实波壁射流策略通过三方面机制提升燃烧室性能：

1. 涡流调控：波壁几何特征诱导的流向涡（streamwise vortex）打破燃料射流对称性，增强湍流掺混；
2. 激波利用：反射激波群迫使燃料向壁面输运，延长驻留时间；
3. 热力学优化：扩大的高温区使燃烧反应更充分，OH自由基分布更均匀。

研究创新性地提出"综合性能指数"评估体系，发现案例a1与a1.5在混合效率（>90%）与总压损失（<15%）间取得最佳平衡。这一成果为下一代超燃冲压发动机燃烧室设计提供了理论依据，其方法论亦可拓展至其他高速推进系统。未来研究可进一步探索波壁频率、相位等参数的多目标优化，以及真实飞行条件下的动态响应特性。