力學所斜爆轟波燃燒機理研究取得進展

　　 爆轟波是一種特殊的燃燒波，主要特點是利用激波壓縮實現自點火，并在高壓下快速放熱。作為最迅速的燃燒方式，在發動機中組織爆轟燃燒成為一個困難重重但是極具吸引力的想法，獲得了國際學術界的廣泛關注。最近幾十年，研究者提出了多種基于爆轟燃燒的發動機解決方案，其中斜爆轟沖壓推進不僅具有燃燒迅速、熱循環效率高的優勢，而且結合了常規超燃沖壓推進的優點，在馬赫數大于10的高超聲速推進中具有較大的應用潛力。

　　由于爆轟波的內在不穩定性，激波和燃燒的耦合結構會失穩形成復雜的胞格結構。在斜爆轟推進中，這種胞格結構會對發動機的燃燒效率和推進性能產生影響，因此成為斜爆轟研究的關鍵科學問題之一。然而，在高速來流中形成駐定的斜爆轟波非常困難，且波面失穩過程對來流擾動非常敏感，研究難度很大。中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室的激波與爆轟物理課題組，對斜爆轟結構與穩定性開展了研究，在胞格形成機理及其量化規律方面取得進展，可望對斜爆轟沖壓推進系統的設計起到推動作用。

　　以前的研究已經表明斜爆轟波面會在小擾動作用下失穩，說明波面本身是內在不穩定的，但是失穩后的胞格形成機理還不清楚。圖1顯示了波面失穩后斜爆轟胞格形成的動力學過程。失穩形成的弱橫波（TW1-TW4），在向下游傳播過程中通過碰撞、合并實現自我強化，進一步發展為較強的左行橫波（TWa-TWb）。這種左行橫波間距較大，從而誘導了另一組右行橫波的形成，共同構成了斜爆轟胞格的最終形態。這與一般爆轟波起始中，過驅動爆轟波衰減為CJ爆轟波的過程是類似的。因此可以得出結論，高速氣流中的斜爆轟波和靜止氣體中的多維爆轟波的胞格形成機理是一致的。

　　為了定量地研究斜爆轟波失穩特性，圖2利用數值煙跡圖（numerical smoke foil record）顯示了不同的活化能對斜爆轟胞格結構的影響，可以看到高活化能斜爆轟波容易失穩而低活化能不容易失穩。該研究通過引入復雜流場分析的動態統計方法，首次對失穩后胞格結構形成的定量規律進行了分析。結果顯示低活化能條件下，胞格結構的形成規律和失穩規律是定性一致的，但是在高活化能條件下，胞格結構的形成規律和失穩規律出現了偏離。研究結果不僅揭示了胞格形成的復雜性，而且為波面結構的預測提供了依據。

　　上述研究結果發表在燃燒領域學術期刊Combustion and Flame（Evolution of cellular structure on oblique detonation surfaces. Teng, Honghui； Ng, Hoi Dick； Li, Kang； Luo, Changtong； Jiang, Zonglin. Combustion and Flame, 2015, 162: 470-477.）上，研究得到了國家自然科學基金和中科院青年創新促進會的支持。