致敬天河应用创新发展—“天河一号”助力航天发动机燃烧室模拟研究

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导读：

以超燃冲压和火箭为代表的航天发动机不仅有重要的军事价值，而且随着民用航天的迅猛发展在国民经济主战场也发挥了越来越重要的作用。燃烧室作为发动机的核心部件，具有重中之重的地位。

然而，航天发动机燃烧室的内部燃烧涉及相变、高马赫数流动、高强度湍流和复杂燃烧化学反应问题等多物理、多尺度过程耦合，其模拟研究不仅具有极高的难度而且需要庞大的计算能力。

近年来，天津超算中心用户中国科学院力学研究所超声速燃烧模拟研究团队基于“天河一号”系统地开展了多燃料、多工况、全尺寸超声速燃烧室模拟研究，实现了复杂碳氢燃料多尺度反应流的高效、高精度、高保真数值模拟，得了一系列突破性进展。其相关研究成果在AIAA Journal, Journal of Propulsion and Power, Combustion and Flame, Proceedings of Combustion Institute等航空航天/燃烧届顶尖杂志和AIAA等国际学术会议上发表。

成果信息：

该研究团队在国际上首次开展了基于多步机理的煤油超声速燃烧大涡模拟、基于多级化学加速技术首次开展了亿级网格规模超声速燃烧大涡模拟。发现了一系列新的超声速流动与燃烧物理机制，如首次观测到欠膨胀射流中的螺旋模态结构与射流失稳的高度关联性、高超声速流动中的点火与稳焰机理、超声速燃烧室模态转换规律、以及煤油超声速燃烧独特的湍流化学反应交互作用模式。

以煤油超声速燃烧大涡模拟研究为例，力学所姚卫副研究员等提出了一种有别于传统矩形截面的新概念圆变椭圆（RdEST）超燃冲压发动机燃烧室，并结合实验与数值模拟对其性能和原理进行了深入分析，为提高发动机燃烧性能与拓宽稳定工作范围提供了一个全新的思路。

同时，首次成功实现了基于多步骨架反应机理的航空煤油全尺寸超声速燃烧室大涡模拟，被同行评价为“对实际问题接近最高水平的数值模拟与应用”（represents near state-of-the-artmodeling and application to a practical problem）。

代表性算例（RdEST超声速燃烧室内部马赫数分布大涡模拟）

该研究成果所发表的文章被美国航空航天学会（AIAA）高超声速系统与技术及空天飞机（Hypersonics Systems and Technologies and Space Planes）技术委员会遴选为2017年度最佳论文，并据此获得高超声速系统与技术最佳论文奖（HYTASPBest Paper Award）。

该奖项每18个月评选一次，每次只有一篇最佳论文，旨在表彰作者在该领域的技术卓越性，此次为我国首次获得该奖项。

论文链接：

https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2017-2190

获奖链接：

https://www.aiaa.org/HonorsAndAwardsRecipientsList.aspx?awardId=78de87b4-ecb2-468b-ae94-ac1dae85ec64