AIA文章导读丨超声速燃料膜边界层燃烧热防护/减阻数值模拟研究进展综述

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

关键词：超声速燃料膜，摩擦减阻，热防护，边界层燃烧，数值模拟

超燃冲压发动机作为高速飞行器的核心部件，在湍流边界层主导的快速力热传递效应下，其内流道面临的气动力热环境极端严酷，具体表现为巨大的热载荷和气动摩擦阻力，是高速技术中推阻平衡矛盾和冷热平衡矛盾率先爆发的部位，如何缓解这一极端的力热耦合矛盾是实现更高马赫数长时间可靠飞行的关键所在。为此，科学家们提出了一种极具工程潜力的方案——在壁面附近喷射一层超声速燃料气膜，将高焓高速主流与壁面隔离开，从而发挥减阻/降热效果。与传统气膜显著不同的是，超声速燃料气膜在与高焓含氧主流剪切掺混的过程中可能发生自点火边界层燃烧，由此引发两个需要阐明的关键问题：边界层燃烧究竟会破坏冷却效果，还是能通过某种机制实现减阻/降热效果在更宽范围内的协同匹配？在超声速流动环境下还需要考虑激波对气膜的干扰，这会引发激波-气膜-边界层燃烧三者间的复杂动态耦合作用，激波对燃料气膜减阻/降热效果产生何等作用机制？对以上两个问题学界长期以来一直缺乏系统性的认知。

 二、研究思路 

本文对超声速燃料膜在边界层燃烧条件下的数值模拟研究进展进行了深度总结。该研究由哈尔滨工业大学的研究团队完成，旨在揭示这种复杂的“激波-气膜-边界层燃烧”耦合机制，重点梳理了从基本槽缝气膜到包含激波干涉和边界层燃烧多物理过程耦合的复杂作用环境下的气膜特征，系统总结了燃料气膜在边界层燃烧介入后流场结构与壁面力热特性的演变，并给出了精确捕捉这些物理过程的高保真数值模拟中诸多物理模型的适用性评价。

 三、核心发现 

1、边界层燃烧对燃料气膜减阻/降热效果的双维增益：传统观点担心燃料气膜边界层燃烧在近壁附近产生了额外热源，气膜失去降热效果反而会加热壁面。但研究发现，边界层燃烧会增厚气膜边界层并显著抑制其中的湍流脉动，削弱湍流输运强度，因此在大幅降低壁面摩擦阻力的同时还可以超偿边界层燃烧所增加的额外热载荷；此外，边界层燃烧所产生的膨胀区在下游可持续很长的距离，从而大幅延伸了气膜高效减阻/降热的作用长度。数值模拟结果验证了边界层燃烧所产生的双维增益有望使气膜的减阻/降热收益提升一个数量级，为高马赫数发动机高效的减阻/降热一体化提供了新思路。

2、激波对燃料气膜减阻/降热效果的转换调节作用：在超声速环境下，激波是不可避免的干扰因素。研究深入探讨了激波入射燃料气膜时的复杂过程：气膜的边界层燃烧处于掺混不足的“自限”状态，而激波入射产生的逆压梯度会诱导气膜分离，在分离泡中通过对流作用和湍流扩散作用接力完成主流与气膜的快速掺混，使得激波入射能有效打破边界层燃烧的“自限”状态，使得边界层燃烧强度增加，所产生的湍流抑制作用可进一步提升气膜的减阻效果，但已不足以弥补近壁释热源项的增加，因而对降热效果不利。总体上看激波扮演着将气膜的降热效果向减阻效果进行转换的调节功能。

3、近壁各向异性湍流反应流的数值模拟要点：针对超声速边界层燃烧这种高度复杂的物理过程，研究总结了各计算模型，如湍流模型、湍流-化学反应相互作用模型、化学反应机理、热物性计算方法、湍流入口边界、数值离散格式等的适用性原则。研究指出，要准确还原燃料气膜的演变，必须精细处理主流入口边界层状态和湍流与化学反应的相互作用，并且针对部分不适用的模型给出了未来的调整方向。

四、研究意义与启示

该综述通过总结超声速燃料气膜在边界层燃烧情况下的数值模拟结果，系统描绘了高速飞行器内流道在燃料气膜覆盖情况下的力热响应特征。研究结论指出，超声速燃料膜结合边界层燃烧，不仅是一种高效的热防护手段，更是实现高速推进系统减阻增推的有力方案。相关进展为未来超燃冲压发动机的气膜冷却系统设计、热防护方案优化提供了关键的理论支撑。它告诉我们，通过精确控制近壁力热传递过程，即使看似反直觉的近壁燃烧也可以被扭转为提升气膜减阻/降热效果的有效手段。

Wei, J., Zhang, S., Zuo, J. et al. Progress on numerical simulation of thermal protection/friction reduction using supersonic fuel film with boundary layer combustion: a review. Adv. Aerodyn. 8, 5 (2026).