《International Journal of Hydrogen Energy》：Enhanced fuel mixing and combustion in a scramjet with sinusoidal wavy-wall perturbations
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二维和三维正弦波纹墙对腔体式超燃冲压发动机流动、混合及燃烧的影响。数值模拟表明二维波纹墙提升冷流混合效率但增加总压损失，三维波纹墙优化燃烧模式并使净推力分别提高16.5%和11.6%
苏东刚（Suodangran Li）| 陈琦（Qi Chen）| 袁宇（Yu Yuan）| 王成龙（Chenglong Wang）| 熊大鹏（Dapeng Xiong）| 孙永超（Yongchao Sun）| 胡振宇（Zhenyu Hu）| 周子博（Zibo Zhou）
国防科技大学航空航天科学与工程学院先进推进技术实验室，中国长沙，410073
摘要
混合与燃烧过程在吸气式超燃冲压发动机的运行中起着至关重要的作用。本研究通过数值方法探讨了二维（2D）和三维（3D）正弦波形壁面扰动对基于腔体的超燃冲压发动机内混合与燃烧过程的影响。结果表明，在冷流条件下，引入的扰动增强了喷射穿透深度和混合效率，但代价是总压损失的增加。在燃烧流场中，二维波形壁面加剧了流动阻塞，导致喷射位置上游形成更大的分离区。相比之下，三维情况下更为复杂的三维波形结构减弱了喷射引起的上游流动分离现象。在火焰稳定性方面，二维波形壁面增强了喷射尾流中的热量释放，而三维波形壁面则在腔体剪切层内增强了热量释放。这两种配置都使得燃烧更接近化学计量比，从而将主要热量释放集中在更窄的混合分数范围内。这使得二维情况下的热量释放率更高（78%），三维情况下为61%，基线情况下为59%。与基线情况相比，二维和三维扰动分别实现了约16.5%和11.6%的净推力增益。这些发现突显了推力与总压损失之间的关键权衡，为发动机设计中波形壁面扰动的合理应用提供了指导。
引言
吸气式高超音速飞行器通常在近太空20-40公里的高度、超过5马赫的速度下运行，它们依靠吸入的大气空气进行燃烧推进[1,2]。高比冲和结构简化的特点使得超燃冲压发动机成为高超音速吸气式飞行器的首选推进方式[3,4]。然而，一个关键挑战在于在毫秒级的驻留时间内完成燃料喷射、混合和高效燃烧这三个连续过程[5,6]，这仍然是实现持续超音速和高超音速飞行的一个关键限制[7,8]。在此背景下，通过几何优化来增强超燃冲压发动机混合与燃烧的策略已成为一个广泛研究的重点话题。尽管存在多种火焰稳定技术[9,10]，但腔体设计作为一种非常有效的方法脱颖而出。从后向台阶结构发展而来的腔体设计，因其低阻力、轻重量和结构简单而备受重视，这些特性对于增强燃料混合和维持稳定的燃烧至关重要。
波形壁面以其结构简单和广泛应用性而著称，已被广泛用于提高各种热流体系统中的传热效果和控制流动。Kumari等人[13]发现，线性衰减的波形壁面可以优化湍流喷流的热性能，显著提高传热率。Archana等人[14]表明，增加波形振幅会引发流动分离并扩大再循环区，从而在特定振幅下显著提高传热效果。Deep等人[15]进一步指出，在带有障碍物的封闭腔体内，具有特定几何参数的波形壁面可以在减少熵产生的同时提高传热效果，从而改善系统的整体热性能。Hamed等人[16]通过实验研究了二维（2D）和三维（3D）大尺度波形壁面上的湍流流动，发现三维地形显著抑制了横向涡旋结构，并将湍流动能降低了一个数量级，从而使壁面剪切应力减少了30%。类似地，Elsner等人[17]研究了在逆压梯度下二维和三维表面波纹的影响，发现三维配置在下游产生的结构更小、能量更低，所有波动速度分量的增长也较小。这些发现表明，三维波形壁面几何结构可以有效减弱湍流混合并改变近壁流动特性，为被动控制流动分离和湍流强度提供了潜在途径。这些流动特性为超燃冲压发动机的优化提供了有益的见解。
近年来，由于实现简单性和显著的空气动力学优势，超燃冲压发动机燃烧室壁面设计引起了大量研究兴趣。其中，二维波形壁面已被证明能有效增强燃料-空气混合和燃烧过程[18,19]。Yu等人[20]研究了下游正弦波形壁面对超音速（马赫数Ma=4）横流中多端口氢燃料喷射混合和分布的影响。他们的数值结果表明，增加波形壁面频率会显著限制燃料的下游传播，而较大的喷射间距则会降低对称平面附近的燃料浓度。Wang等人[21,22]通过数值方法研究了上游波形壁面对腔体超燃冲压发动机内燃料混合的增强效果。他们的研究发现，波形壁面增强了顺流向涡旋的强度和空间范围，促进了燃料进入腔体并改善了其周向分布，从而提高了混合和燃烧效率，但代价是总压损失的增加。在测试的各种配置中，波形数为1.5、振幅为1.5毫米的壁面被确定为最佳设计，它在对总压损失的影响相对较小的同时显著增强了混合效果。Gerdroodbary等人[23]通过数值方法研究了上游壁面几何形状对燃料混合的影响。他们的结果表明，高来流马赫数和明显的波形振幅组合使得壁面轮廓能够重构核心流动，形成大规模的再循环区，有助于下游的充分燃料-空气混合。Cao等人[24]指出，燃料分布决定了火焰稳定模式之间的转换，从而决定了是预混燃烧还是扩散燃烧占主导。Ruan等人[25]通过LES研究发现，燃烧主要发生在亚音速混合层中，随着混合从富燃料状态向贫燃料状态转变，燃烧模式从扩散主导转变为预混燃烧。虽然这些研究主要集中在光滑壁面上，但波形壁面扰动对这些火焰动态的影响却鲜有关注。
目前大多数研究集中在二维波形壁面对冷流的影响上，而对燃烧流场中三维配置的研究仍然有限。为了填补这一空白，本研究采用矩形截面超燃冲压发动机燃烧室作为基线案例，该案例在我们团队的先前研究中已被广泛使用[26,27]。本文详细研究了由二维和三维正弦波形壁面引起的扰动下的混合和燃烧过程。与Wang等人的研究[21,22]相比，除了分析性能参数外，本文还特别关注燃烧模式和火焰稳定模式的变化。第2节将详细介绍所采用的数值方法，包括控制方程、求解器配置和边界条件，并进行了网格独立性验证，计算模型也通过了实验结果的验证。第3.1节讨论了冷流场的特性，第3.2节描述了燃烧流场结构，第3.3节分析了燃烧模式和火焰稳定模式，第3.4节评估了超燃冲压发动机的性能参数，第4节提供了研究结论。
控制方程
可压缩反应流的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程使用GPU加速的自主代码进行求解。本研究采用的数值方法和自主代码已在先前的研究中得到了广泛验证[26,27]。本节仅提供简要描述。
可压缩流动和化学反应的RANS控制方程可表示如下：
