问题概述：

燃烧是人们获得能源和动力的主要途径，在获得能源与动力过程中，提高效率降低排放、获得更高的动力需求以及寻找新的能源是社会发展的重大需求和前沿问题；此外，随着城镇化的进程，城市及其周边森林区域面临大尺度极端火灾安全的挑战。因此，面向未来社会发展和安全的需求，超高速、超高压、超临界、超大尺度（火灾）、超稀薄气体及星际空间等极端环境下的可控燃烧是燃烧发展的重要方向之一。其面临的主要问题以下几个方面：

1. 超高速气流中的燃烧、火焰不稳定性及其主动控制方法；

问题描述：

高超速飞行器飞行马赫数可达7-10，超高速气流中的液体燃料燃烧、湍流火焰结构和火焰不稳定性是提高飞行器可靠性和实现更高马赫数飞行的关键因素。

高速飞行时加速度场、燃烧室声场和电磁场均会对固体导弹推进的燃烧行为产生明显影响，导致固体推进出现燃烧不稳定、燃速偏离预测值等异常燃烧现象。

关键难点：

 采取燃料预先导向催化裂解等燃料预处理、燃料高性能喷注和组织、等离子主动燃烧控制等方式，控制燃烧过程；

 考虑多时间尺度和空间尺度多因素耦合作用，建立超高速气流中的燃烧不稳定性预测模型，研究抑制燃烧不稳定性的主动控制措施；

 超高速条件下固体燃料多物理场耦合燃烧行为及机理；

 基于电磁原理的燃烧组织与主动控制技术；

研究进展：

 Ma 4-7飞行来流的超声速燃烧技术已经基本突破，Ma6以下已经有成功的飞行试验。

 火焰不稳定性影响机制和抑制措施目前主要依靠试验，尚无准确可靠的超高速气流火焰不稳定性预测模型；

 声场、加速度场和电磁场对固体推进剂影响的相关基础研究和理论体系仍需深入和完善。

 美国已机理验证了放电等离子体实现了扩散火焰的不稳定性控制及燃烧噪声抑制，展现了显著效果。

重大意义：

马赫数7-10是下一步高超声速飞行发展的核心方向，燃烧过程组织和燃烧不稳定性控制是其中的关键技术，可为高超声速飞机、天地往返运输系统等提供关键支撑，对于揭示燃烧湍流相互作用机理和非稳态燃烧的控制也具有重要的理论价值；

揭示超高速条件下多物理场耦合条件下固体燃料燃烧机理，控制固体燃料不稳定燃烧、实现利用多物理场对燃烧行为时控制，也可为未来先进固体燃料火箭发动机等领域提供重要理论支撑。

2. 超高压、超临界、超宽混合比条件下的发动机可控燃烧技术

问题描述：

未来发动机先进燃烧技术的发展方向是超高压极端条件下的可控燃烧过程，通过提高发动机燃烧压力，提高发动机的做功能力和热效率。如液体火箭发动机工作在高温（3800K）、高压（50MPa）、高燃烧效率（99%）、大热流密度等极端工作环境，以及需要真空稀薄流环境多次点火、脉冲工作和大范围（10：1）推力调节；内燃机超高燃烧爆发压力（>30MPa）、超稀混合气燃烧；航空燃气轮机燃烧室在连续进口空气来流高压（10MPa）、高温（1200K）条件下实现超低的氮氧化物和颗粒物排放等。这对燃烧技术提出极大的挑战，首要条件是燃烧装置能在可控、稳定燃烧。但目前针对超高压极端超临界条件下的流动、喷雾、混合、传热传质、燃烧化学反应、火焰结构和稳定性、爆震燃烧等燃烧物理与化学耦合机制和规律的认识缺乏，比较典型的是超高压条件下的超临界喷雾、混合和燃烧问题，是提高发动机热效率的瓶颈和关键；此外，发动机工作在这种极端条件下极易发生振荡燃烧或燃烧不稳定。如何实现可控稳定燃烧是设计者面临的核心难题，需要发展超高压力、宽混合比条件可靠的燃烧稳定性预示模型。

关键难点：

 超高压或超临界条件下的喷雾、蒸发、流动、混合、传热传质等物理机制；

 超高压和超临界条件下燃料燃烧和催化反应动力学，着火、燃烧不稳定、爆震燃烧等燃烧物理与化学耦合机制和规律；

 高压环境下振荡燃烧机理、振动耦合与控制基础研究；

 超高压超高温条件下旋流火焰的复杂流动和燃烧动态响应耦合机制和规律；

 超高压和超临界条件下多时间和多空间尺度的物理化学过程的详细描述和仿真模型研究；

 超高压燃烧试验方法及光学诊断技术。

最新进展：

超临界条件下燃料的表面张力和蒸发潜热消失，气液相界面不复存在，流场中的流体物性和空间分布呈现连续地变化趋势。因此，超临界状态下流体的热物理性质与亚临界条件存在显著差异，气液两相热力学特性有明显变化，超临界状态下气液间的传热传质输运过程的影响因素和机制尚不明确；超临界条件下液态燃料的喷雾、蒸发和混合气成机理有待揭示。另一方面，高压下大分子燃料的氧化和裂解反应路径以及重要中间产物和自由基的生成演化历程尚不清楚，仍然缺乏相关热力学和动力学参数，适用于高压工况的宽范围大分子燃料燃烧化学反应动力学机理有待发展；

超高压力条件下的缸内热力学状态、燃油喷雾混合分布特性、湍流结构和化学反应特性都与常规条件下有很大差异，需要揭示发动机燃烧室受限空间内超高压力、高预混条件下缸内热力学状态、工质成分、混合气分布和湍流结构等对燃烧火焰结构、火焰动力学和放热规律的影响机制和控制规律；混合、流动和燃烧过程中不可逆损失的生成机理和控制措施；

极限条件下的受限空间内基于热、固、流和化学反应耦合的可控燃烧机制；探索超高压超临界条件下提高发动机热效率和排放的潜力和控制策略。

重大意义：

上述难点突破对丰富和发展极限条件下的热力学、传热学、湍流理论、多相流理论、化学反应动力学和湍流燃烧理论有重要的理论意义，对揭示极限条件下的燃烧机理、实现可控燃烧，提高热效率有重要的科学和工程价值；

3. 大尺度火灾的预防与控制

问题描述：

发展大尺度火灾的预防与控制技术，以将森林与城市开放空间火灾的燃烧控制在人力可处置的范围内，实现对重特大火灾及其次生衍生重大事故灾难的预防与早期控制，以避免诸如我国1987年大兴安岭森林大火、2016年加拿大麦克默里堡大火和2017年美国北部和南部加州大火的人类重大灾难，是包括我国在内的世界各国在城镇化发展中共同面临并亟需解决的重大公共安全问题。为此需要发展大尺度火灾的预测工具和控制手段。而在大尺度火灾中，高强度燃烧、极快速度蔓延的极端火行为往往对大尺度火灾发展的突变过程发挥关键作用，但目前尚未对极端火行为的机理与规律形成完备的科学认识，缺乏极端火行为及其后果的风险评估工程化模型与技术方法。

关键难点：

大尺度火灾中，火焰辐射引燃和飞火引燃是形成植被与建筑混交并离散分布条件下火蔓延的两种最主要形式，而这两种主要的蔓延模式往往由极端火行为诱发。为此，要建立大尺度火灾的预测模型和风险评估方法，关键是要深刻认识极端火行为的机理与规律，其难点表现为：由于燃料载荷离散分布和非连续引燃模式，极端火行为表现出非连续性和跳跃式的蔓延特性，不能用基于连续介质假设的传统火蔓延模型来描述。另一方面，所有这些极端火现象均包含流动与燃烧的复杂耦合作用，这种作用反过来又影响燃烧反应动力学，从而形成燃烧物理－流体力学－燃烧化学的相互影响机制，这种复杂机制决定了火行为的演变过程。

针对以上难点，需要突破的科学和技术问题包括：

 大尺度火焰的热量输运规律、热辐射特性预测模型及辐射量计算方法

 火旋风和多火焰燃烧相互作用中的热量输运规律和流场分布特性

 植被火中爆发火和跳跃火的诱发机理和发展规律

 耦合流动参数、燃烧规律和传热传质过程的飞火颗粒燃烧与运动学模型

 各种极端火行为相互转化的临界条件

 大尺度极端火行为及其次生行为演化模拟技术

 风与地形耦合作用下的火灾蔓延模拟技术

最新进展：

已经初步揭示火旋风、多火焰燃烧、飞火等极端火的燃烧动力学规律，但基于极端火现象的燃烧物理－流体力学－燃烧化学相互耦合的动力学模型尚未建立；各类极端火行为彼此相互次生的机制与规律研究已取得初步进展，相应的演化模拟技术亟待建立。

重要意义：

上述难点的突破将系统揭示大尺度火灾中极端火行为燃烧物理、流体力学和燃烧化学耦合作用机制，深刻认识大尺度火灾孕育、发生和发展的动力学演化机理与规律，为大尺度火灾的预测预报提供极端火行为的动力学模型和理论，为制订或修订极端火行为相关的防火标准与规范提供科学理论、工程预测模型、预警工具和安全准则，促使对大尺度火灾由被动式应对向主动控制发生转变。

4. 超稀薄富燃条件下的燃烧组织和可控燃烧（星际空间可控燃烧）

问题描述：

地球的大气层以氧化剂（空气）为主要成分，燃烧过程一般通过控制燃料供给来控制，这是各类地基燃烧室设计的基础。利用太空获得新的能源是重要方向之一，研究表明在其它行星的大气层存在大量的气体燃料，并且以气体燃料为主要成分。因此在其它行星上的燃烧过程将主要通过控制氧化剂补给来组织控制，相应地其燃烧动力装置也要基于富燃的前提来进行设计。

关键难点：

星际空间超稀薄富燃条件下（燃料多而氧化剂少）的燃烧组织、燃烧可控机制和燃烧器实现；

最新进展：

对适应其它行星环境的各类飞行器设计估计在2025年左右将提上日程，并成为燃烧届的一个研究热点。目前文献中尚未有富燃环境下燃烧器的相关研究。

重要意义：

实现星际空间超稀薄富燃条件下的可控高效燃烧，对于开发外太空长途运输工具和实现行星际/恒星际旅行有重要现实意义。