航空煤油兩相超聲速湍流燃燒高保真數值類比。研究團隊供圖

在先進發動機研發過程中，試驗測量與數值模擬對於縮短研發週期、降低研發成本具有至關重要的意義。

試驗測量是先進發動機研發過程中不可或缺的一環，是最終驗證發動機性能、可靠性和安全性的重要手段，特別是在結構強度、振動特性、壽命評估等方面，必須通過嚴格的實物試驗以確保發動機符合設計要求和相關標準。此外，在發動機研製階段，通過獲取發動機實際運行中的高質量數據，研究人員可以為理解發動機運行過程中發生的複雜物理現象背後的深層機理提供第一手資料，一方面為模型校驗提供數據，另一方面為物理完善與模型優化提供依據。

數值模擬技術作為一種先進的計算機類比手段，能夠對發動機內部複雜的物理過程進行高精度的數值類比，以獲得詳盡的內部流動、燃燒、傳熱等資訊，幫助設計人員在初期發現潛在問題並進行優化，提高設計的“一次通過率”。同時，數值模擬可以模擬可以模擬發動機在多種極端工況下的性能表現，為故障診斷和安全評估提供有力支援，提升發動機的可靠性和安全性。美國太空總署（NASA）在最新公佈的《計算流體力學（CFD）2030年遠景規劃》中，將航空發動機燃燒流場高保真、高效類比列為四個CFD應用方面具有重大挑戰性和亟待解決問題之一。數值模擬技術終將促成發動機設計模式的轉變，從依賴實物試驗的“試驗設計”到以計算機類比為主的“預測設計”，將“以虛輔實、以虛補實、以虛預實、以虛代實”的作用貫穿燃燒室設計、試驗、製造、服務保障等產品研發和發展的全生命週期。

在國家自然科學基金重大研究計劃“面向發動機的湍流燃燒基礎研究”的支援下，我國科研工作者搭建了燃燒反應數據共享平臺，打造完全自主的發動機先進數值模擬與試驗測量體系，為我國發動機自主研發提供了堅實有力的支撐。

在數據共享平臺與模擬、測試技術方面，科研團隊建成了我國首個公益性公共技術平臺——燃燒動力學平臺CDS，包含9196個組分熱力學數據、33033個基元反應動力學數據、1931個組分輸運數據、73種燃料點火特性、25種燃料層流火焰速度、14種燃料燃燒組分濃度和35種燃料高溫熱物性。

此外，科研團隊建立了獨特的基礎燃燒實驗設計及模型優化平臺OptEx，實現了基礎燃燒實驗資料庫及未來可行實驗域資訊含量的高效評估，進而建立高資訊含量正交實驗資料庫，與人工智慧技術相融合，為快速發展並優化發動機燃料寬工況下的高預測性燃燒動力學模型奠定了基礎。

科研團隊研製了具有自主智慧財產權、工程可用的航空發動機燃燒室數值模擬軟體GTCC，計算規模達到10億網格/百萬核，通過多型工程尺度全環燃燒室的驗證考核，燃燒效率和總壓恢復係數預測誤差小於1%，燃燒室出口溫度分佈預測誤差小於10%。

科研團隊開發了具有自主智慧財產權、通過億級網格/數十萬核考核的超燃衝壓發動機設計與評估軟體系統AHL3D。這一軟體系統具備超燃衝壓發動機設計、計算、分析和評估能力。

同時，科研團隊突破了基於真實航空發動機燃燒室結構的單/多頭部試驗件10kHz高重頻同步測量技術，以及0.8MPa條件下燃燒多物理場的粒子圖像測速（PIV）和平面激光誘導螢光（PLIF）同步測試技術。

在支撐我國發動機自主研發重大需求方面，科研團隊基於相關基礎研究成果，構建了“柴油機高充量密度-低溫燃燒理論”，提出燃燒路徑控制思想和可變熱力循環技術，改善了高性能柴油機瞬態特性，解決了低排放與高熱效率的矛盾。

科研團隊還開發了等離子體助燃方法和點熄火預測模型，應用於下一代航空發動機高溫升燃燒室的研製，極大拓寬了穩定工作邊界，點火極限拓展達25%。

超音速條件湍流燃燒相關理論的建立，則解決了超燃衝壓發動機高速流動下點火和長時間穩焰等關鍵問題，支撐了我國超燃衝壓發動機在工程實用化研製中處於國際領先地位。

此外，科研團隊還提出了無內柱燃燒室、陣列式小孔進氣等原創方法，解決了連續爆轟發動機起爆難、控制難、穩定難的問題，有效支撐了連續爆轟發動機的工程轉化應用。