在高馬赫數飛行條件下，氣流密度的降低和滯止溫度的升高會激發分子振動模態、離解和電離等熱/化學非平衡現象，氣體中熱物理和化學過程復雜度急劇增加。吸氣式高超聲速飛行器多采用機身與發動機一體化設計，因此來流的非平衡效應直接影響燃燒性能，進而決定發動機的推力性能。對于飛行馬赫數大于8的吸氣式高超聲速飛行器，在發動機設計和性能分析中需要考慮熱/化學非平衡等真實氣體效應。然而，由于湍流、燃燒、熱/化學非平衡效應等多物理耦合的復雜性以及實驗/模擬研究手段的缺乏，關于熱/化學非平衡效應對湍流燃燒和發動機性能的影響規律和作用機制國際上存在較多爭議，不同的學者甚至得出看起來截然相反的結論。部分研究觀察到非平衡效應降低了火焰溫度，從而抑制了燃燒，導致點火延遲甚至吹熄；然而，另有部分學者觀察到非平衡效應的存在促進了點火，從而導致火焰駐定在更上游位置。

中國科學院力學研究所高馬赫研究團隊通過模擬方法創新實現了3.7億網格全尺寸高馬赫發動機內外流耦合一體化大渦模擬，在寬工況條件下全面深入分析了非平衡效應對高馬赫發動機的影響規律，揭示了非平衡效應的兩種作用機制，統一了國際學術界關于非平衡效應作用機制的爭論，被AIAA旗下知名期刊Journal of Propulsion and Power審稿人評價為該領域里程碑式（milestone）的研究。

研究取得的突破性進展包括：

(1)揭示了在同一發動機流道不同階段熱力學非平衡截然相反的兩種作用機制。在進氣道等收縮管和近壁面邊界層中，流動壓縮和粘性加熱使得動能轉化為內能并被添加至平動-轉動能量模態，熱力學弛豫延遲的存在使得平動-轉動溫度（Tt）暫時高于熱力學平衡溫度（T），表現為有助于促進點火的非平衡加熱效應（Tt>T）。與之相反，在尾噴管等擴展段內，流動膨脹將從平動-轉動能量模態中提取內能并轉換為動能，熱力學弛豫延遲的存在意味著振動-電子能量模式不會立即補償熱力學非平衡狀態，從而使得平動-轉動溫度暫時降低到其平衡值T以下，表現出抑制燃燒的非平衡冷卻效應(Tt<T)。之前不同研究者得出的看似相反的結論其實源自于對發動機不同流動階段的觀察，結論本身相對觀察對象而言都是正確的。本研究也表明了開展全尺寸發動機內外流耦合一體化模擬的必要性，避免“盲人摸象”式結論的產生。

(2)基于動態分區概念建立了熱力學非平衡與湍流燃燒耦合計算模型—分區非平衡流模型（ZNM）。在傳統的熱/化學非平衡計算中，逐點計算混合物的V-T熱弛豫時間非常耗時，其計算代價甚至超過燃燒模擬中的復雜化學反應體系的求解；為此，本研究提出了一種分區非平衡模型（ZNM）以在保證非平衡準確表征的前提下提高計算效率。模型基于多維參數空間建立歸一化的非平衡熱力學和非平衡化學分區法則，通過采用瞬態流場變量為分區指標實現非平衡效應的自適應分區建模。相比于傳統的熱力學非平衡計算，該分區非平衡流模型通過概率密度函數加權的方式耦合了湍流脈動對非平衡能量遷移的影響，從而可以更加準確預測超聲速燃燒中高標量脈動條件下的非平衡效應。模型通過保證分區內非平衡特征弛豫時間的均一化，實現非平衡效應和其他物理過程的局部解耦，在兼顧模擬保真度的前提下將熱力學非平衡效應的計算效率提升了5倍以上，從而突破長期以來制約非平衡流高效高保真模擬的湍流/熱力學特性/化學反應多尺度作用耦合建模這一關鍵瓶頸。研究進一步基于ZNM模型開展了當前最高解析度(3.7億網格)的耦合熱/化學非平衡效應的高馬赫超燃沖壓發動機全尺寸內外流耦合一體化大渦模擬研究，表明基于動態分區概念的分區解耦模擬方法在超聲速燃燒室優化設計方面具有重大應用潛力，可為飛/發一體化設計提供高效、高保真的數值工具。

相關論文發表于Journal of Propulsion and Power (2022, vol.38)、Journal of Propulsion and Power（2023）和力學學報 (2022, vol.54)。數值模擬部分的主要完成人為姚衛研究員，高馬赫風洞實驗方面的主要完成人為李進平副研究員和岳連捷研究員。研究得到了國家重點研發計劃 (2019YFB1704200、2021YFA0719204)和國家自然科學基金（12272387）等的支持。