开展前瞻研究　推动空天科技发展——中国科学院高温气体动力学国家重点实验室

2014-07-25

中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室（State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, LHD）以空天科技发展为主要应用背景，致力于高温气体动力学的基础问题研究，是在二十世纪五十年代末钱学森和郭永怀先生建立的力学所气动科研力量和学科方向的基础上发展壮大的。作为实验室前身的中国科学院高温气体动力学重点实验室正式成立于1994年，在俞鸿儒院士的指导下，坚持工程科学理念，以创新求发展，逐步发展成为理论、实验和数值模拟研究相结合、装备配套的高温气体动力学开放研究基地，并于2011年迈入国家重点实验室序列。实验室现有固定人员90人。科研队伍包括研究员17人，其中中科院院士2人，国家杰出青年基金获得者2人，新世纪百千万人才国家人选2人，中科院百人计划入选者7人。实验室在研课题共140余项，包括：国家科技重大专项项目、973、863、国家自然科学基金、中科院创新方向性项目等。现任实验室主任为姜宗林研究员，学术委员会主任为俞鸿儒院士。实验室以开展高温气体流动的前瞻性、基础性和战略性研究为理念，以实现实验室科研目标从关键技术研究到关键技术集成研究的提升为宗旨，进一步优化布局实验室的科研团队，形成高温反应气体流动、超声速燃烧与推进技术、气动构型理论与优化设计、稀薄气体与非平衡流动、等离子体流动与高效燃烧等五个相互支撑的主要研究方向。

一、主要研究方向

1．高温反应气体流动

高温气体介质微团形态的物理化学变化，通过热化学、热力学、激波动力学、热传导、热辐射、气动光学等过程显著地改变了高温气体宏观流动规律，也改变了高超声速飞行器的气动力／热特性，是高超声速飞行器设计必须解决的关键问题。在该科研方向，实验室的主要研究内容包括四个方面。

（1）先进的高温气体流动模拟试验技术。根据高超声速科技不断发展对高超声速流动实验模拟研究的需求，发展先进的高超声速试验装备和测试技术，提高实验模拟研究高焓热化学反应流动的能力。

（2）高温反应气体流动机理。通过实验研究与理论分析，揭示高温分子微团的振动激发、解离、复合、电离、吸热与放热等物理化学变化及其对宏观流动的影响，完善高温反应气体物理模型，探索高温气体流动的普遍规律。 

（3）高超声速流动气动力／热规律。通过研究激波相互作用、高超声速边界层发展与转捩、高温气体效应、表面催化过程，获得高超声速飞行器的气动力／热规律。 

（4）高超声速飞行器热防护技术。开展高超声速飞行器减阻防热新概念的探索，研究流场重构对高超声速飞行器气动力／热的影响规律，发展气动热主动控制与被动防护相结合的高超声速飞行器减阻防热技术。

2．超声速燃烧与推进技术

高超声速飞行发展的主要关键问题是吸气式推进技术，超燃冲压发动机是主要研究方向。超燃冲压发动机的主要构成部件是进气道、燃烧室和尾喷管。研究其性能以及部件之间的匹配机理和相互作用规律，能够提高发动机的整体性能。同时还需开展热防护研究，保证轻质（满足飞行重量）发动机在恶劣热环境下长时间正常工作。在该科研方向，实验室主要研究内容包括三个方面。

（1）不同物态碳氢燃料组织燃烧与推力特性。根据高超声速推进技术发展的需求，从工程应用的实际出发，深入开展液态、气态、超临界态、裂解态等不同形态下的煤油超燃特性研究；探索不同点火、燃料喷射、增强混合、稳定燃烧方式对超燃冲压发动机燃烧效率、气动阻力、推力性能和比冲性能的影响。另外对地面模型试验发动机开展气动与结构优化设计，突破马赫数为6的碳氢燃料超燃冲压发动机的关键技术问题，达到增加发动机推力、降低阻力的目的。

（2）气／固／液耦合传热机理与发动机主动热防护。通过燃烧室内通道超燃气流、发动机固体壁面、冷却通道中液态冷却剂之间的传热研究，建立耦合传热模型和发动机冷却结构设计方法，发展以燃料为冷却剂的再生冷却式主动热防护技术，达到延长发动机工作时间、保持发动机完整性的目的。

（3） 发动机轻量化结构设计方法。通过发动机与材料结构热防护一体化和发动机与机身一体化设计研究，探索由实验室研究性发动机向具有工程化应用特点的主动冷却轻量化发动机转换中的气动基础问题和关键技术。

3．气动构型理论与优化设计

气动构型设计是高超声速飞行器研制的关键技术之一，通过发展气动布局理论和优化设计方法，开展一体化设计，提升飞行器整体气动性能。研究能够使凭经验设计走向计算机自动优化设计，是飞行器工程设计思想的重大变革，也是国际发展趋势。实验室该方向包括三个方面研究内容。

（1）鲁棒高效的优化设计方法。发展各种局部、全局和混合优化算法及多目标、多学科优化算法；借鉴信号处理领域的最新方法，通过改造，探索适用于非线性CFD模型计算的替代模型和响应面模型，提高优化效率。

（2）优化气动构型的流动机理。通过不同气动构型的实验和仿真分析，揭示不同气动构型的升阻比与流场的关系，弄清最优气动构型的复杂流动机理，探索几何参数与气动性能的关联规律。

（3）气动构型优化方法应用。针对高超声速科技需求，发展普适的气动构型优化方法，为重大工程项目提供支撑技术与证据。

4．稀薄气体与非平衡流动

高超声速飞行器在60km以上高空飞行时，气体流态已经属于稀薄气体流动范畴，具有高温的分子内态非平衡、高速流动结构非平衡等特点。实验室该方向的主要研究内容包括四个方面。

（1）高效稀薄气体数值模拟技术。根据流动微观机理和粒子模拟技术，不断发展高效的粒子模拟方法，建立适合于全流域（连续介质区、过渡领域、自由分子流）的多尺度耦合算法，研究有电磁场作用的稀薄等离子体内外流模拟技术。

（2）稀薄气体流动地面模拟技术。建立高超声速稀薄气体流动实验装置（高超声速膨胀管、稀薄等离子体风洞），研制气动力微量天平，发展非接触式稀薄气体流动测量技术。

（3）稀薄气体效应及其影响规律。通过比较连续和粒子模拟结果，分析稀薄气体效应，揭示稀薄气体效应影响规律，归纳适合于工程应用的经验公式。

（4）飞行器稀薄环境下的气动性能和喷流控制规律。研究临近空间飞行器在70km以上高空的飞行气动特性和气动外形优化设计，分析深空探测器再入过程和动力装置羽流特性。

5．等离子体流动与高效燃烧

以等离子体动力学与高效燃烧为研究基础，立足于国防安全和工业应用，主要在空天等离子体动力学及等离子体应用、高压富氧燃烧与余热高效利用等方面开展工作。实验室该方向的主要研究内容包括三个方面。

（1）等离子体流动与应用。研究空间推进重大工程中与等离子体形成和稳定性及状态控制相关的关键技术与科学问题；研究热等离子体的产生、状态控制、参数诊断方法；研究等离子体材料工艺、涂层技术及热性能检测方法。

（2）等离子体废弃物处理。针对能源与环境工程领域的重大需求，围绕国家城市与工业中流动、燃烧与污染控制问题，开展基础性研究，并进行工业应用。研究等离子体条件下有害废弃物的热分解特性、迁移规律、玻璃体生成特点等，研发废弃物的等离子体处理装置与技术。

（3）高效燃烧与余热利用。研究新型发动机的高压富氧燃烧机理，应用于先进空天推进技术的研发；研究粉状金属、煤粉、生物质等的燃烧机理并应用于实际工程；开展强化传热与热力循环的研究，研发冶金工业余热的高效利用技术并推广应用。

二、代表性成果

1．高焓气体流动与实验模拟技术研究

空天科技领域空间飞行器的研制要求开展0～10km/s飞行速度，～100km飞行高度条件下的地面实验模拟研究。这个飞行空域可以划分为：临近空间高段（飞行速度6～10km/s、飞行高度60～100km），临近空间中段（飞行速度4～6km/s，飞行高度40～60km）和临近空间低段（飞行速度1.5～3km/s、飞行高度20～40km）。研制不同类型的高超声速风洞实现空间飞行器全速域飞行走廊的覆盖是开展空天飞行器研究的必要条件。实验室自主研发的氢氧爆轰驱动高焓激波风洞（JF10）能够模拟临近空间中段的飞行条件，是具有国际先进水平的高超声速试验装备。2007年中国力学学会50周年大会上，实验室的爆轰驱动激波风洞技术被评价为中国力学事业十年间的五项重大成就之一。目前，实验室还建成了JF12激波风洞，成为国际首座可复现25~40 km高度、试验气体为洁净空气的超大型高超声速激波风洞。

在这种研究积累的基础上，根据我国发展空间科技的重大战略需求，实验室又成功地发展了两种激波风洞技术，解决了临近空间低段和临近空间高段飞行条件的实验模拟技术问题，覆盖了空天飞行器的飞行走廊，支撑了国家先进气动装备的研制。应用高焓激波风洞开展了系列的高焓气体流动实验，取得了一系列基础性的创新研究成果，支撑了国家重要国防项目的研究需求。

2．稀薄气体流动的动理学研究

高温高速稀薄气体流动偏离平衡态分布，导致连续介质理论失效，基于传统气体动力学的研究成果不再适用，动理学分析至关重要。特别是各国争相发展的临近空间飞行器将长时间在稀薄大气中高机动飞行，飞行器的气动力和气动热如果分析不当，将不可能按预定航线飞行，甚至有可能象哥伦比亚号航天飞机因防热瓦的问题而机毁人亡。稀薄气体流动分析必须求解Boltzmann方程，但是该方程极其复杂并难以求解，造成稀薄气体流动研究的困难。

实验室看准从微观上模拟大量分子运动是稀薄气体流动研究的突破口，在采用统计模拟的DSMC方法基础上，提出了信息保存（IP）方法、大网格DSMC方法，并发展成为大网格IP方法，使得粒子模拟方法的计算效率得到几个数量级的提高。在此基础上，通过移植大规模的并行程序，一方面对飞行器在稀薄流动区域作了大速度范围、宽飞行高度的三维气动分析，得到了诸如平板在全流域和全速域的阻力特性，另一方面，研究稀薄流动的多物理效应，包括稀薄气体效应、可压缩效应和粘性效应，分析气体流体中的间断现象和流动稳定性机理，为流体力学的发展增加了内涵。稀薄气体流动的研究对于空天飞行器气动力和气动热的精确预示具有重要的作用。

3．气动构型理论与优化设计方法

以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器飞行时，其激波和摩擦阻力急剧增加，进而引发飞行器的升阻比屏障、升阻比–热防护矛盾、阻力–容积率矛盾等一系列新问题。对于高超声速飞行器设计而言，既要保证飞行器的高性能，又要保证发动机的正常工作，因此必须采用一体化气动构型优化设计，是高超声速技术的关键问题之一。

实验室应用发展的乘波体设计方法、 计算技术、基于CFD的优化设计方法，并集成了自主提出的和目前常用湍流模型、网格分区方法、并行计算载荷平衡处理技术，发展了针对复杂气动外形的优化设计与流动分析的计算平台，成功地应用于高超声速飞行器、大飞机、高速列车的气动外形设计与研究，获得了重要研究成果。

4．规则胞格爆轰起爆与传播的统一框架理论

强激波及其诱导的气体解离和燃烧进程与宏观高速流动的强耦合构成了高温气体动力学学科的基础，是高焓高超声速流动需要研究的核心问题。热效率极高的爆轰现象是一种强激波诱导的化学反应过程，对于发展先进的高超声速推进有着非常重要的应用价值。爆轰是一种具有三维多波结构和明显胞格特征的复杂物理现象。近百年的大量研究对于爆轰现象从不同角度、应用不同方法作出了不同的描述，各自在不同程度上反应了现实爆轰波的某些特性，缺乏对爆轰现象的统一把握。所以提炼出关键物理机制、基本物理过程和关键状态，构造爆轰波的基础性框架理论，统一解释已经发展的爆轰理论是具有重要意义的基础性研究工作。实验室开展了系列的爆轰物理研究和探索，提出了规则胞格爆轰起爆与传播的统一框架理论。该理论构架由一个关键物理机制（非线性波与化学反应相互作用机制Interaction of Wave Propagation and Chemical Reactions, IWPCR），两个基本物理过程（热点与化学反应带加速）和三个关键物理状态（临界起爆状态、临界传播状态、临界胞格尺度）组成。应用构架理论能够成功地统一解释目前由实验、计算和理论分析获得研究结果依据的物理机制，对于爆轰理论研究与探索具有指示性意义。

5．等离子体应用与余热高效利用

在热等离子体的产生机理和状态控制，以及热等离子体材料/涂层制备、热烧蚀性能研究方面取得了重要进展。获得了时空稳定性优异、在宽广范围内参数可调的层流等离子体射流，为材料加工以及热冲击实验提供稳定的高能流密度热源。利用该类稳定的等离子体源，在热等离子体喷涂、快速烧结、熔凝及熔敷等材料/涂层/表面改性等方面开展了研究；制备了接合良好的ZrO2热障涂层、SiC高温抗氧化涂层和表面改性层。建设了综合性能和兼容性宽广的空天等离子体动力学实验平台，开展了空间电推进基础研究，在氢-氮混合推进剂条件下，获得了比冲550 s，推力效率大于50%的结果。建成了150 kW电弧等离子体风洞和50 kW高频等离子体风洞，用于新型热防护材料烧蚀性能的考核与评价。

研发了等离子体裂处理废弃物成套技术与装置，建成一套日处理3吨模拟医疗废物的三相交流等离子体处理示范系统。在此基础上，与企业合作在四川自贡建成我国首条化工固体危险废物等离子体处理生产线，在陕西咸阳建成我国首个等离子体裂解处理系统，日处理5吨持续性有机污染物POPs，并获环保部运营许可证。针对冶金余热间歇性、多尘性和爆炸性的特点，在基础研究和工程应用方面取得了有影响力的成绩。得到冶金煤气浓度、温度等参数与爆炸时火焰速度和压力值的相互关系，总结出一套煤气爆燃遏制方法，参与建设了国内首台2×150 t电炉余热电站，顺利完成了863课题；随后，建设成功转炉2240 kW余热蒸汽拖动二次除尘风机的示范工程。

后记

高温气体动力学国家重点实验室坚持钱学森先生倡导的科研理念，遵照开展基础性、前瞻性和战略性研究的方针，面向国家航空航天和国民经济的重大战略需求，以突破高超声速科技的关键技术为主要目标，研究了在高温高超声速极端条件下，具有分子振动和转动激发、分子离解、电离等内态变化介质的复杂流动规律；建立、完善了高温气体动力学理论体系，支撑高超声速科技关键技术的突破；建设了具有国际水平和持续创新能力的高温气体动力学科研与人才培养基地，为我国的航空航天事业做出了突出贡献。

　　实验室主任简介

姜宗林，研究员，2000年10月开始担任中国科学院高温气体动力学重点实验室主任。主要从事激波间断解问题的数值理论、复杂激波相互作用、高温气体流动、爆轰物理、脉冲爆轰推进和CFD数值解解验证方法等方面的研究。其中关于提出的构造无振荡激波捕捉格式的频散控制条件，界定了频散控制耗散格式（DCD格式），成为构造无振荡激波捕捉格式的基本原则；提出的气相规则胞格爆轰起爆与传播的统一框架理论，解释了各种经典理论依据的物理机制，揭示了起爆与传播的统一机理；基于爆轰驱动方法，发展了长实验时间激波风洞技术，研制成功了国际首座可复现M5~M9飞行条件、试验时间超过100 ms的超大型激波风洞（JF12），整体性能国际领先；在这方面的工作已在国内外的学术杂志和国际会议发表论文200多篇。他还兼任国际激波研究院副理事长，AIAA燃烧与推进专业委员会委员，中国空气动力学学会副理事长，中国力学学会常务理事，第24届国际激波大会主席，第23～30国际激波大会国际咨委会委员。