爆轰波产生于前导激波压缩自点火，能够以超声速在可燃气体中自持传播，是一种高速、高效的燃烧形式，在先进热机技术领域具有重要的潜在应用前景。斜爆轰冲压发动机是一种采用斜爆轰波进行燃烧组织的推进概念，在高速飞行器的推进系统研发中具有重要地位。稳定的斜爆轰波驻定和起爆是斜爆轰应用的核心技术，而飞行条件下马赫数变化所导致的起爆结构的变化规律，在其工程研发中具有指导意义。
中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室激波与爆轰物理团队与北京理工大学宇航学院合作，开展了斜爆轰波起爆区结构对来流马赫数依赖关系的数值模拟和理论分析。研究发现：来流马赫数低于临界值时，起爆区的流场结构和长度发生突变，并伴随有二次斜爆轰波/斜激波的产生。通过开展稳定性参数的分析以及化学放热反应速率的影响研究，确认了斜爆轰波流场结构的突变主要是爆轰波面变化引起的。更低的来流马赫数条件下，还首次观察到波面位置的无衰减振荡，揭示了斜激波和燃烧耦合系统的内在不稳定性。
进一步开展锥激波诱导的斜爆轰波探索，发现相对于平面斜劈，尖锥流动还受锥面曲率和Taylor-Maccoll流动的影响，且波后气体会向锥面流动存在一个逐渐压缩的过程。在高来流马赫时，锥形斜爆轰波与平面斜劈诱导产生的斜爆轰波流场结构类似；在低马赫数时，锥形波面出现耦合-解耦的流场特征。深入的Taylor-Maccoll流动特性对斜爆轰波起爆区结构的影响分析，揭示了激波、放热和稀疏波共同作用下的流动机制，深化了对尖锥诱导斜爆轰波的物理流动过程的认识。
上述研究成果发表在力学国际学术期刊Combustion and Flame (Combust.Flame,2018,193:246-256.)和Physics of Fluids (Phys.Fluids,2017,29,086104.)上，该研究得到了国家自然科学基金支持。
图1 斜爆轰波流场结构的突变
图2 起爆区长度随马赫数的变化
图3 激波与燃烧面的耦合-解耦现象
