超声速气流中的典型混合增强方法

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摘要：超燃冲压发动机指空气以超声速进入燃烧室并与燃料进行混合和燃烧，但是在来流速度如此快的条件下，要实现燃料与空气的充分混合与稳定燃烧是很困难的，而稳定燃烧的先前条件是燃料与空气的充分混合。因此，增强混合的研究对超燃冲压发动机的发展起着重要的作用。国内外众多学者不断研究并提出混合增强方法来解决燃料与空气充分混合的问题，本文主要对混合增强方法中的横向射流、脉冲射流以及凹腔的研究进展进行总结与归纳，并对未来的发展提出展望。

关键词：超燃冲压发动机；混合增强；横向射流；脉冲射流；凹腔中图分类号： TJ760; V211

文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2023）02-0108-12

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0261

0引言

超燃冲压发动机因具有速度快、结构简单［1］、重量轻、单位推力大等优点，受到国内外研究者的广泛重视，不断对其进行研究和完善，成为目前及未来发动机发展的重点之一。即使对超燃冲压发动机的研究不断深入和完善，但还是存在各种有待完善的问题。超燃冲压发动机燃烧室中的超声速来流速度快，燃料与来流在燃烧室的驻留时间只有毫秒量级［2］，要在几毫秒内实现燃料和来流的充分混合及高效燃烧是十分困难的。因此，混合增强技术不断被研究及应用，以达到提高发动机内的混合以及燃烧效率。

混合增强方法按其机理分为主动混合增强方法和被动混合增强方法，主动混合增强方法依靠大尺度自激励来增强混合，包括脉冲射流［3–6］、等离子体合成射流［7-8］等。被动混合增强方法作为一种有效的混合增强手段，主要通过改变燃烧室的构型或者喷射方式来诱发轴向涡结构，结构设计简单，作用方式直接［9］。被动混合方法主要包括横向射流［10–12］、斜坡［13–16］、支板［17–21］、塔桥［22-23］、凹腔［24–26］、波形壁［27–29］等。为了对混合增强方法有一个更加全面的认识，国内外学者Hassan等［30］、 Choubey等［31］、黄伟等［32-33］都对混合增强的研究进展进行了详细的总结与归纳。

本文主要对主动混合增强方法中的脉冲射流，被动混合增强方法中壁面横向射流和凹腔进行开展。凹腔的混合增强机理主要是依靠声学激励燃烧室内诱发大尺度扰动，产生大尺度漩涡吸卷燃料与空气。脉冲射流通过脉冲激励超声不稳定流动来增强来流与燃料的接触，从而增强混合。火焰稳定［34–36］燃烧是超燃冲压发动机想要达到的目的，只有燃烧稳定了发动机才能在稳定的状态下工作，凹腔既可以增强混合，又是理想的火焰稳定器之一［37］。

1横向射流的研究进展

1.1横向射流流场结构

超声速壁面横向射流是一种最经典、最简单的混合增强方式。由于横向射流具有结构简单、阻力小等优点，众多学者对横向射流进行了研究，黄伟等［38］还对其进行了综述。典型超声速壁面横向射流三维结构图［39］如图1所示。射流从射流孔喷出，其状态为欠膨胀状态，当欠膨胀状态的射流从射流孔喷出后，在射流孔附近发生普朗特-迈耶膨胀之后迅速膨胀，在下游形成了筒状激波和马赫盘，与此同时，射流与超声速来流相互碰撞，形成了弓形激波。横向射流的流场会产生复杂的漩涡结构，其中包括图1所示的射流剪切层漩涡、马蹄涡、反向旋转涡对（CVP）和尾迹涡（TCVP）。

Liu等［40］采用油流可视化技术和 NPLS 研究射流尾迹流区域，展示了射流下游区域的近壁面流动情况，包括再附着区和V形分离区，如图2所示。

2018年， Liang等［41-42］采用NPLS技术清晰地观察到了典型流场结构，识别了V形分离气泡并揭示了V形分离泡周围的详细流场。后来， Liang等还发现在近壁场中，动量通量比较低（J=2.3）的条件下，存在一个V形区域，该区域的前部燃料质量分数较高，这是由来自不同方向靠近射流孔的横向射流流线碰撞引起的，而在较高动量通量比（J=7.7）条件下， V形区域并不明显，不同动量通量比的燃料质量分数分布图如图3所示。

1.2横向射流混合增强的影响因素

除了对横向射流的流场结构进行研究， Yan等［43］采用极差分析和方差分析方法对影响横向射流混合增强的因素进行研究，结果表明射流与来流的压力比是影响超声速横向射流流场的最重要因素，其次是射流角。

学者们还对射流孔的几何形状和射流孔的数量进行研究。 Sebastian等［44］分析超音速横向射流中椭圆射流的流动机理，并揭示不同长宽比对流场的影响，不同长宽比的椭圆射流孔截面图如图4所示。图中， l和w分别是沿轴ξ1和ξ2的长度，轴ξ1与来流的流向平行。研究表明，穿透深度随长宽比的增加而增加。

Li等［45］通过求解RANS方程模拟研究长方形、三瓣形和圆形这三种不同几何射流孔对燃料混合强度的影响，如图5所示。结果表明，三瓣形喷射器比长方形和圆形射流孔具有更有效的混合性能，其下游的流动循环比其他射流孔类型的流动循环高200%以上。 Iwasa等［46］还将片状射流孔与圆形射流孔对比，发现与圆形射流相比，片状射流具有更低的混合效率，且动量通量比会对片状喷口射流混合产生影响，混合效率随动量通量比的增加而增强。

2021年， Zhang等［47-48］研究了氢/空气同轴喷射对超声速横流中燃料混合性能的影响，同轴空气/氢气多射流示意图，如图6所示。研究表明，同轴空气/氢气射流的喷射策略增强了燃料与空气射流的相互作用，显著改善了下游的混合效果。

2022年， Liang等［49］还用大涡模拟和NPLS实验，在Ma=3的条件下，对圆管中单孔射流和上下两个射流孔相对喷射的射流结构进行比较，研究发现由于激波和再循环区的影响，两个相对喷射射流的总压恢复系数和混合效率均高于单孔射流，因此，两个相对喷射射流孔更适合于超燃冲压发动机。除了单孔和双孔横向射流外，学者们还研究了多孔横向射流， Gerdroodbary等［50］用Navier–Stokes方程和SST湍流模型进行研究，由图7的对比图可以看出，空气射流的存在显著提高了混合速率，能够使1/4/8/16孔燃料射流的混合效率分别提高116%， 77%， 56%和41%。当16个燃料射流孔时，氢射流的混合速率达到最大。

2脉冲射流的研究进展

脉冲射流是指在超声速壁面横向射流基础上对射流孔施加一个具有一定频率和幅值的脉冲，在横向射流作用的基础上进一步增强燃料与来流空气的混合。学者们对脉冲射流的研究主要是研究不同频率幅值和脉冲波形对燃料混合增强效果的影响，徐壮壮等［51］、唐浩然等［52］对脉冲射流的研究进展进行了总结。

2.1脉冲射流的频率和幅值

Randolph等［53］研究发现当脉冲峰值的压力和动量通量比与稳态射流相等时，脉冲射流的穿透深度较稳态射流有所提高。 Williams等［54–56］首先在来流速度为Ma=2.3的条件下，模拟了8 kHz， 16 kHz， 24 kHz和32 kHz的氢燃料喷射频率，结果表明，在这些频率范围内，氢气射流在超声速气流的穿透度增大且在这些频率中16 kHz穿透深度增强效果最明显。后来又对脉冲射流和稳态射流进行多次研究，结果表明，超声速来流中声速氢射流的垂直平均穿透时间和横向扩散时间均增加。 2020年，将稳态和f=16 kHz的正弦脉冲射流进行对比，研究表明，当通量比相等时，气态氢射流正弦脉动的穿透和混合效果与稳态射流对比有很大的改善。从图8的马赫数云图和图9的氢气摩尔质量云图可以看出，与稳态喷射相比，脉冲喷射方案的瞬时射流穿透和侧向扩散更深。

Zhao等［57-58］研究发现，脉冲使燃料和超声速来流的混合得到加强，特别是50 kHz情况下的最佳脉冲频率，对于较低脉冲频率（如5 kHz）或较高脉冲频率（如200 kHz），流场和混合过程将趋向于稳态射流。后来又通过大涡模拟研究了在具有10°斜坡的超声速来流中具有最佳频率（50 kHz）的脉冲射流的增强混合和燃烧机理，图10为不同时刻脉冲射流和稳态射流的氢气质量分布云图，图10中的A， B， C为大尺度氢射流结构，周期性地出现在下游，具有更高的射流穿透和更多的气流夹带。图10（a）～（d）存在由“A”标识的顺时针和逆时针旋转的剪切层漩涡结构（A漩涡结构向左右两边发展）。但是对于图10（e）中的稳态射流，仅发现逆时针旋转剪切层涡旋结构。改变漩涡旋转方向能使混合更加充分，有利于混合物的燃烧，从而提高燃烧效率。对于最优频率下， Zhao等发现弓形激波特征频率为40 kHz，将40 kHz的脉冲频率进行模拟，通过图11发现， 40 kHz的脉冲频率对混合效果的改善作用比50 kHz好。也就是说，设置脉冲频率与弓形激波特征频率相同，可以再次增强混合和燃烧效率，以及提高射流穿透。

孙永鹏等［59-60］对超声速条件下脉冲射流的混合过程进行三维非稳态雷诺平均（URANS）模拟，采用 SST k-ω湍流模型对脉冲射流的脉冲频率和幅值进行了研究，结果表明，脉冲频率为50 kHz能达到较好的混合效果，且幅值的改变对混合过程的影响较为明显。随着脉冲幅值的增大，脉冲扰动对射流的扰动作用效果也增大，氢气质量分数的衰减速率越快，混合效果随之增强。

2.2脉冲射流的波形

对于脉冲射流的波形，学者们除了对正弦波进行研究， Sua等［61］、 Coussement等［62］、 Chen等［63］对方形波也进行了研究。 Du等［64-65］采用RANS和SST k-ω湍流模型对射流与来流压力比为10.29和25.15分别用三种不同周期（T₁=0.5×10^-5s， T₂=1.0×1^0-5 s和T₃=1.5×10^-5 s）的正弦波与稳态射流进行对比，研究结果为不同周期的脉冲射流都有利于混合过程，特别是在射流与来流的压力比较高的情况下，在减少总压损失和提高燃料穿透深度方面具有独特的优势。频率较高的T1脉冲射流性能最好，并预测了脉冲射流混合增强机理的重点是通过间歇喷射将周围的大量空气合并到燃料中心。除了研究正弦波对射流的影响， Du等还对三角形和正方形脉冲进行了研究，图12显示了稳态射流和三种不同波形的脉冲射流（不同波形为射流与来流压力比，保持来流总压不变，改变射流的压力）。研究表明，不同波形的脉冲射流都有利于提高横向射流的混合效率，脉冲射流中的不同脉冲波会产生不同的涡流结构，脉冲射流在减小总压损失和混合长度方面具有优势，但不利于提高燃料的穿透深度。

Li等［66］将三角翼微小斜坡与脉冲相结合，比较了三种不同压力比下脉冲射流对流场结构影响，研究结果表明，在喷注压比小的情况下，脉冲射流的混合效率低于稳态射流，但当喷注压比17.72时，脉冲射流的混合效果比稳态射流好。

脉冲射流不仅对燃料的混合效率产生影响，学者们还对脉冲射流的点火延迟时间及火焰稳定进行了研究。 He等［67］研究了在不同脉冲频率的火焰自点火图，结果表明，脉冲频率为39 Hz的氢气射流已经开始燃烧并且有明显的火焰产生，然而其他频率的脉冲射流和稳态射流都还没有火焰产生，这说明频率为39 Hz的脉冲射流能够有效地缩短点火延迟时间。 Tian等［68］通过实验研究了脉冲射流对超燃冲压发动机内流动结构和火焰传播的影响，结果表明，与稳态射流条件下的火焰传播过程相比，脉冲射流喷射有助于实现煤油点火和稳定燃烧。