近日，研究院先进空天动力技术团队在圆形轴对称超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混特性方面取得重要研究进展。团队通过精准数值模拟方法分析了“支撑支板及中心喷注当量比对于圆形轴对称燃烧室流场及燃料掺混性能的影响”，研究结果能够为燃烧室喷注方案设计提供有力参考，从而为后续高效燃烧奠定基础。相关成果以《支撑支板及中心喷注当量比对于圆形轴对称燃烧室流场及燃料掺混性能的影响》（Numerical studies on the effects of the supporting struts and center equivalence ratio on flow field and fuel mixing performance in a circular axisymmetric combustor）为题，发表于工程技术大类能源与燃料领域TOP期刊《应用热工》（Applied Thermal Engineering）。
研究背景
在高超声速推进领域，超燃冲压发动机速度快、比冲高，被认为是未来高速军民用航空器的首选发展方向。然而其内部流速快，燃料在燃烧室内驻留时间仅为毫秒量级，对燃料喷注组织提出了极高要求。同时圆形截面燃烧室相比矩形截面燃烧室具有湿周小、结构效率高、无拐角流动效应的独特优势，逐渐成为领域内的研究热点。本文聚焦一种使用支撑支板及中心锥体作为稳燃器的光滑壁面圆形轴对称燃烧室，采用中心锥独立进行中心喷注的方式进行数值模拟，探究支撑支板及中心喷注当量比大小对于燃烧室流场、煤油边界及掺混特性的影响，为后续喷注方案的优化奠定基础。
成果介绍
图1 实际燃烧室结构示意图
研究团队结合先前超燃冲压发动机内流道设计的“等-扩-等”截面积经验，设计了使用中心锥结合3个支撑支板实现稳燃的圆形轴对称燃烧室，燃烧室入口直径为71.4mm，扩张比为1.8，在轴向位置x=405mm处周向布置12个喷孔实现中心喷注，具体结构如图1所示。在数值模拟方法上选用三维密度基稳态求解器求解连续性方程、动量方程、能量方程及组分连续性方程，考虑包含O₂、CO₂、H₂O、气态煤油（C₁₂H₂₃(g)）及N₂的多组分混合流动。湍流模型选用SST k-ω模型，空间离散选用二阶迎风格式与Roe-FDS通量类型，采用隐式格式进行时间推进，采用基于单元的最小二乘法来计算单元内的梯度，考虑到数值模拟成本及模型对称性，选用三分之一模型进行计算。
a.有支撑支板x=620mm b.无支撑支板x=620mm
c.有支撑支板x=970mm d.无支撑支板x=970mm
图2不同结构和截面位置的煤油边界
如图2所示（Case A代表有支撑支板，Case B代表无支撑支板），煤油的边界形态同时受到支撑支板结构与中心喷注当量比影响。在x=620mm、970mm截面上无支撑支板煤油的边界形态均关于z=0对称；支撑支板对煤油边界的影响主要集中在支板后的投影范围内，其使得z=0附近的边界向上突起，同时能够有效扩展支板后的煤油边界扩大煤油扩散的范围，总体而言随着中心喷注当量比的增大边界向燃烧室壁面扩展。
a.截面质量流量加权当量比曲线 b.截面质量流量加权方差曲线
图3质量流量加权当量比和方差沿程曲线
如图3所示（Case A代表有支撑支板，Case B代表无支撑支板），随着中心喷注当量比增加，燃料富集程度增加同时均匀度降低，支撑支板的存在使得燃烧室后段的燃油富集程度降低、均匀度增加。如图4所示（Case A代表有支撑支板，Case B代表无支撑支板），随着轴向坐标增大，掺混效率呈现上升趋势；在相同的中心喷注当量比下，有支撑支板结构掺混效率在出口截面明显大于无支撑支板结构，充分说明支撑支板能够有效增强掺混。
图4不同结构及不同中心喷注当量比下的掺混效率曲线
哈尔滨工业大学为论文第一完成单位，哈工大苏州研究院为共同完成单位。研究院先进空天动力技术团队博士研究生陈慕新为论文第一作者，仇鸿超副研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目资助。
先进空天动力技术团队聚焦宽域冲压发动机设计及燃烧增强技术、高效爆震燃烧技术、燃烧室智能感知预测技术及智能燃烧室等方向，常年诚招硕博研究生及博士后研究人员。
论文链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.129824
文稿：先进空天动力技术团队，责任编辑：孙铭锌，审核：王艺衡
