仿真笔记——高马赫数发动机大涡模拟
空天发动机作为国家战略重大需求，是工业领域中集成度最高的产品之一，也是高保真大涡模拟的重要应用方向。空天发动机内部流动涉及高达105-107的高雷诺数湍流、上万步复杂碳氢燃料化学反应、液体推进剂的雾化/相变/燃烧、以及强激波间断波系结构等极端复杂的物理化学过程，同时，上述物理化学过程还因特征时间相近而存在非线性强耦合。传统计算网格解析度不足、模型集成度低，多物理耦合效应难以体现，甚至导致模拟结果失真。
力学所高马赫数发动机团队的研究基于自主模型和算法实现了最高2.5亿级网格解析度的全尺寸、内外流耦合一体化高保真数值模拟。通过获取发动机内流详细三维瞬态流场信息，进而开展发动机内部流动、混合和燃烧过程的深入观察与分析，可以揭示宏观实验观测难以发现的新规律新现象、近距离观察时空强瞬态多物理相互作用非平衡过程、获取接近真实飞行环境的天地一致性规律。基于所发展高效高保真计算框架的数字孪生发动机可大幅缩短发动机的研制周期、降低试验成本、提升发动机性能，实现大涡模拟等精准数值模拟方法在发动机工程设计中的广泛应用。
图1 基于动态分区概念的高超声速燃烧模型体系，和当前最高解析度的亿级网格内外流耦合一体化大涡模拟
研究建立了包括动态分区火焰面湍流燃烧模型 (DZFM)、分区非平衡模型 (ZNM)、分区自适应化学 (Z-DAC)、分区并行自适应建表 (Z-ISAT)、分区物性建表 (Z-ECS) 和分区中心-KT格式等“六位一体”的动态分区高超声速燃烧模型框架。基于自主提出的动态分区模型体系开展了最高2.5亿级网格解析度的氢和碳氢高马赫数全尺寸超燃冲压发动机内外流耦合一体化改进延迟分离涡 (IDDES) 模拟研究。对比分析了飞行马赫数7～12，飞行高度28～40km，飞行动压20～55kPa，总温2100～4300K飞行包线内中心支板和壁面撑挡型两类构型高超声速燃烧室特性。数值分析表明当前氢气高超声速燃烧室中广泛存在扩散控制为主的火焰面模式，效率提升的瓶颈在于高效增混。壁面撑挡燃烧室具有较高的穿透深度和近场混合效率，相应的比冲也远高于中心支板燃烧室。无粘推力可以很好地与动压以高斯函数的形式关联，而粘滞阻力几乎与动压成线性增加。力学所高马赫数发动机在特定工作范围内预测可获得净推力。研究首次实现了耦合热/化学非平衡效应的真实超燃冲压发动机性能预测，揭示了超声速燃烧中非平衡效应通过能量转移冷却和自由基池两种机制对流动特性和发动机性能产生显著影响。非平衡条件下混合效率提高，而燃烧效率和推力均显著降低。考虑可压缩效应的Borghi图分析表明2/3的区域处于火焰面模式，非平衡效应增加了火焰面模式的比例。
图2 首次耦合热/化学非平衡效应的高马赫数超燃冲压发动机大涡模拟
相关论文发表于Journal of Propulsion and Power (2021)、Aerospace Science and Technology (2021)和力学学报 (2021)。研究计算部分的主要完成人为姚卫研究员，实验验证方面的主要完成人为岳连捷研究员和肖雅彬副研究员。研究得到了国家重点研发计划“高端装备复杂流场自主CAE一体化平台”(2019YFB1704200)、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”（91641110）和中国科学院战略性先导A类专项(XDA17030X00)的支持。
