航空煤油两相超声速湍流燃烧高保真数值模拟。
在先进发动机研发过程中，试验测量与数值仿真对于缩短研发周期、降低研发成本具有至关重要的意义。
试验测量是先进发动机研发过程中不可或缺的一环，是最终验证发动机性能、可靠性和安全性的重要手段，特别是在结构强度、振动特性、寿命评估等方面，必须通过严格的实物试验以确保发动机符合设计要求和相关标准。此外，在发动机研制阶段，通过获取发动机实际运行中的高质量数据，研究人员可以为理解发动机运行过程中发生的复杂物理现象背后的深层机理提供第一手资料，一方面为模型校验提供数据，另一方面为物理完善与模型优化提供依据。
数值仿真技术作为一种先进的计算机模拟手段，能够对发动机内部复杂的物理过程进行高精度的数值模拟，以获得详尽的内部流动、燃烧、传热等信息，帮助设计人员在初期发现潜在问题并进行优化，提高设计的“一次通过率”。同时，数值仿真可以模拟发动机在多种极端工况下的性能表现，为故障诊断和安全评估提供有力支持，提升发动机的可靠性和安全性。美国国家航空航天局（NASA）在最新公布的《计算流体力学（CFD）2030年远景规划》中，将航空发动机燃烧流场高保真、高效模拟列为四个CFD应用方面具有重大挑战性和亟待解决问题之一。数值仿真技术终将促成发动机设计模式的转变，从依赖实物试验的“试验设计”到以计算机模拟为主的“预测设计”，将“以虚辅实、以虚补实、以虚预实、以虚代实”的作用贯穿燃烧室设计、试验、制造、服务保障等产品研发和发展的全生命周期。
在国家自然科学基金重大研究计划“面向发动机的湍流燃烧基础研究”的支持下，我国科研工作者搭建了燃烧反应数据共享平台，打造完全自主的发动机先进数值仿真与试验测量体系，为我国发动机自主研发提供了坚实有力的支撑。
在数据共享平台与仿真、测试技术方面，科研团队建成了我国首个公益性公共技术平台——燃烧动力学平台CDS，包含9196个组分热力学数据、33033个基元反应动力学数据、1931个组分输运数据、73种燃料点火特性、25种燃料层流火焰速度、14种燃料燃烧组分浓度和35种燃料高温热物性。
此外，科研团队建立了独特的基础燃烧实验设计及模型优化平台OptEx，实现了基础燃烧实验数据库及未来可行实验域信息含量的高效评估，进而建立高信息含量正交实验数据库，与人工智能技术相融合，为快速发展并优化发动机燃料宽工况下的高预测性燃烧动力学模型奠定了基础。
科研团队研制了具有自主知识产权、工程可用的航空发动机燃烧室数值模拟软件GTCC，计算规模达到10亿网格/百万核，通过多型工程尺度全环燃烧室的验证考核，燃烧效率和总压恢复系数预测误差小于1%，燃烧室出口温度分布预测误差小于10%。
科研团队开发了具有自主知识产权、通过亿级网格/数十万核考核的超燃冲压发动机设计与评估软件系统AHL3D。这一软件系统具备超燃冲压发动机设计、计算、分析和评估能力。
同时，科研团队突破了基于真实航空发动机燃烧室结构的单/多头部试验件10kHz高重频同步测量技术，以及0.8MPa条件下燃烧多物理场的粒子图像测速（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）同步测试技术。
在支撑我国发动机自主研发重大需求方面，科研团队基于相关基础研究成果，构建了“柴油机高充量密度-低温燃烧理论”，提出燃烧路径控制思想和可变热力循环技术，改善了高性能柴油机瞬态特性，解决了低排放与高热效率的矛盾。
科研团队还开发了等离子体助燃方法和点熄火预测模型，应用于下一代航空发动机高温升燃烧室的研制，极大拓宽了稳定工作边界，点火极限拓展达25%。
超音速条件湍流燃烧相关理论的建立，则解决了超燃冲压发动机高速流动下点火和长时间稳焰等关键问题，支撑了我国超燃冲压发动机在工程实用化研制中处于国际领先地位。
此外，科研团队还提出了无内柱燃烧室、阵列式小孔进气等原创方法，解决了连续爆轰发动机起爆难、控制难、稳定难的问题，有效支撑了连续爆轰发动机的工程转化应用。
0 条