超聲速氣流中火焰傳播過程的實驗及數值模擬研究本文以超燃燒沖壓發動機內氣體流動、混合與燃燒為研究背景,結合實驗研究、數值仿真與理論分析對超燃壓發動機內出現的逆流火焰加速現象進行了較為系統與深入的研究。首先,本文以理論建模、數值仿真為主要手段研究了帶格柵管道中的火焰加速現象,與實驗對比驗證了理論模型的有效性。文中采用詳細化學反應機理研究了不同當量比條件下火焰加速過程,仿真結果表明在恰當當量比條件下,數值計算得到的火焰加速率與理論符合的最好,在當量比小于恰當當量比條件時,數值計算火焰加速率與理論值存在著較大的差異。本文進一步考慮了格柵構型對火焰加速的影響,當格柵厚度小于格柵間距時,格柵增強湍流作用比射流有效體積減小更占據主導,使得火焰加速率相比無限薄構型更大。而隨著格柵厚度繼續增加,格柵體積之間減小的作用重新占據主導,火焰加速率迅速下降。其次,為了分析產生火焰過程之前燃料混合狀態,本文通過數值仿真揭示了不同噴注位置與不同來流條件下凹腔上游橫向噴注流動混合特性。從結果可以看出,在相同湍流邊界層的作用下,與近凹腔兩路噴注、遠近凹腔兩路噴注對比,兩路遠凹腔噴注的混合效率最高。在凹腔前緣之前,當入口同樣為湍流邊界層時,增加入口湍流邊界層厚度時,湍流的作用更為明顯,混合效率提高。接著本文在等截面超燃沖壓發動機燃燒室內,利用高速攝影、高速紋影及高頻壓力傳感器等觀測手段對不同噴注位置的燃燒現象進行了研究。在遠凹腔噴注位置的實驗中觀測到了周期性火焰逆傳現象,研究結果表明火焰前鋒振蕩主頻約為95Hz,火焰鋒面振蕩主頻與壓力振蕩主頻非常接近的,這說明以火焰逆傳與吹脫過程為特征的火焰周期性振蕩主導了燃燒室內的壓力振蕩。進一步通過數值仿真揭示了不同化學反應機理對超聲速火焰逆傳的影響,研究結果表明產生火焰振蕩的條件與化學反應機理是相關的,更強的化學反應機理得到的燃燒振蕩頻率要大于實驗觀測的振蕩主頻。以來流邊界層為影響因素的數值仿真結果表明,入口邊界層為層流時,燃燒室內表現為由凹腔穩定的火焰,當采用湍流入口邊界層條件時,凹腔下游火焰實現了增長并逆流傳播。在采用相同湍流入口邊界層條件時,增加湍流邊界層厚度能夠使得火焰更早的發生逆傳。以來流總溫為影響因素的數值仿真結果表明,當采用低總溫入口時火焰無法產生逆傳現象。當在高總溫來流條件下,在凹腔下游能量積聚產生逆傳火焰的初始過程中,來流溫度的影響占據更主導的地位,提高總溫能使凹腔下游火焰更早地產生逆傳。在等截面雙凹腔燃燒室內,在遠凹腔噴注實驗中同樣觀察到了準周期性火焰逆傳現象。研究結果表明壓力振蕩主頻并不明顯,但仍可以認為是以火焰逆傳與吹脫過程為特征的火焰周期性振蕩主導了燃燒室內的壓力振蕩。進一步通過數值仿真研究了等截面雙凹腔燃燒室遠距離噴注的火焰逆傳現象,雙凹腔的火焰逆傳與單凹腔情況下略有不同,數值仿真結果表明雙凹腔條件下的火焰在凹腔上游觀測到非對稱性傳播過程。最后,本文分析了火焰逆傳過程中燃燒模式變化。計算結果表明在凹腔下游火焰不斷積累增強的時刻,凹腔及下游的火焰保持為富燃預混燃燒模式,隨著火焰逆向傳播,火焰前鋒仍保持著富燃燒預混燃燒模式,而緊隨其后靠近流道中間剪切層的燃燒則迅速轉變為擴散燃燒模式。針對火焰逆傳中的部分預混燃燒現象,本文改進了超聲速部分預混燃燒G/Z方程模型并進行了驗證