超燃冲压发动机燃烧室凹腔稳焰器参数化研究：氢燃料横向射流与凹腔长深比的影响分析

《Acta Astronautica》：Parametric evaluation of a cavity flameholder with transverse reacting hydrogen injection applied to a scramjet combustor

本文针对超燃冲压发动机（Scramjet）燃烧室内氢燃料混合效率低、火焰稳定性差的难题，通过RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）数值模拟系统研究了凹腔稳焰器长深比（AR）对燃烧性能的影响。研究发现增大AR（3.2至7.0）可强化回流区与湍流扰动，显著提升混合效率（72.3%）与燃烧室效率（72.5%），为高马赫数推进系统设计提供了关键参数优化依据。

　　

Highlight

凹腔几何形状对超音速燃烧性能产生决定性影响，其中长深比（AR）通过调控回流区结构与湍流强度，直接主导燃料混合效率与火焰稳定机制。

实验验证与燃烧室数值分析

为验证数值模拟可靠性，将基准工况与Sunami等人的实验数据进行了对比验证。基于第2.8节的网格敏感性分析，本研究重点对比了燃烧室底壁沿对称线的静压（P_w/P₀）分布。源自壁面压力传感器的原始HyShot-IV几何构型实验数据，为数值模拟精度提供了关键基准。

结论与未来工作

本研究通过基于CFD（计算流体动力学）的数值模拟，系统分析了氢燃料超燃冲压发动机燃烧室中不同长深比凹腔稳焰器的作用机制。采用Ansys CFX软件平台，结合SST k-ω湍流模型与燃烧速率模型（BVM），解析了关键燃烧与湍流的相互作用。基于详细的流场、组分及热力学分析，得出以下结论：

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  基准工况（无凹腔结构）表现出最低的混合效率（51.3%）与延迟燃烧现象，凸显了凹腔诱导流场结构对超燃冲压发动机高效运行的重要性。