薛碧瑩

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 遼寧沈陽 110015)

振蕩燃燒，也稱不穩(wěn)定燃燒，是燃燒放熱反應(yīng)脈動引起的燃燒速度和釋熱率的周期性變化與燃燒室的聲學特性發(fā)生共振而產(chǎn)生的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象[1]，常出現(xiàn)在燃氣輪機燃燒室、航空發(fā)動機主燃燒室和加力燃燒室、固體/液體火箭發(fā)動機以及工業(yè)鍋爐等各種燃燒裝置[2-4]。當振蕩燃燒發(fā)生時，會導致燃燒裝置乃至整個系統(tǒng)劇烈振動，發(fā)出巨大噪聲，熱負荷增高，加劇污染物排放，影響燃燒裝置乃至整個系統(tǒng)的正常工作，嚴重時還會造成系統(tǒng)部件損傷和破壞[5-7]。

長期以來，振蕩燃燒是國內(nèi)外眾多研究人員為之努力和關(guān)注的一個方向，做了大量研究工作，但是，由于振蕩燃燒是一個很復雜的問題，其本身涉及了燃燒、流動、傳熱、聲學等多個學科，因此，對于振蕩燃燒的相關(guān)研究還有待進一步深入。該文采用科學計量法和文獻綜述法，對國外振蕩燃燒研究的發(fā)文量、作者、機構(gòu)以及自由詞進行分析，結(jié)合統(tǒng)計結(jié)果，對核心文獻進行分析，管窺振蕩燃燒領(lǐng)域的研究熱點。參照國外研究成果，以期為我國航空發(fā)動機研制提供借鑒和參考。

1 數(shù)據(jù)采集與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

為客觀認識航空發(fā)動機振蕩燃燒相關(guān)情況，該文以美國工程索引（EI）為數(shù)據(jù)源，對其刊登的航空發(fā)動機振蕩燃燒相關(guān)文獻進行文獻研究。

為保證文獻查全率和查準率，該文以“主題/標題/摘要=振蕩燃燒/不穩(wěn)定燃燒”為檢索式進行快速檢索，包括“oscillation combustion、combustion oscillation、combustion instability、unsteady combustion、unstable combustion”這5組檢索詞。為保證文獻內(nèi)容更具借鑒和參考意義，國家限制為美國、英國、德國、法國和俄羅斯這5個航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)先國家。時間限制為2020年12月31日，文獻類型選擇Journal Article 和Conference Article，語言選擇English。對搜集到的數(shù)據(jù)進行清洗，剔除與航空發(fā)動機振蕩燃燒無關(guān)的文獻，共計得到文獻641篇。

1.2 研究方法

該文采用科學計量方法，對科技論文和會議論文的發(fā)文量、作者和機構(gòu)等知識單元進行定量分析；采用文獻綜述法，對科技論文和會議論文表征的研究熱點進行定性分析；通過綜合運用科學計量方法和文獻綜述法，結(jié)合可視化圖表直觀地展現(xiàn)國外航空發(fā)動機振蕩燃燒的研究概況。

對作者和機構(gòu)的統(tǒng)計采用普賴斯定律：同一主題中，半數(shù)的論文是一群高生產(chǎn)力作者所寫，這一作者集合數(shù)量約等于全部作者總數(shù)的平方根[8]。根據(jù)公式（1）和公式（2），可以統(tǒng)計出核心作者和最低發(fā)文量。

公式（1）中，nmax為杰出科學家中最高產(chǎn)作者/機構(gòu)發(fā)表論文數(shù)，m為杰出科學家中最低產(chǎn)作者/機構(gòu)發(fā)表論文數(shù)。公式（2）中，(x)為撰寫x篇論文的機構(gòu)數(shù)，i=nmax為該領(lǐng)域內(nèi)最高產(chǎn)作者/機構(gòu)發(fā)表論文數(shù)，N為作者/機構(gòu)總數(shù)。

2 發(fā)展概述

2.1 發(fā)文量

對振蕩燃燒文獻發(fā)文量進行統(tǒng)計，能夠揭示該領(lǐng)域的研究進展，預測其未來發(fā)展趨勢。通過對641 篇振蕩燃燒文獻的發(fā)表年份進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)發(fā)文時間跨度為1967—2020 年，共54 年，年均發(fā)文量約為12 篇。按照發(fā)文時間分別統(tǒng)計當年發(fā)文量和累積發(fā)文量，為累積發(fā)文量添加趨勢線，具體如圖1和圖2所示。

圖1 當年發(fā)文量分布

由圖1 和圖2 可知，振蕩燃燒相關(guān)研究始于1967年，討論了消除燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室內(nèi)振蕩燃燒的方式[9]，但是在接下來的近30 年間發(fā)文量較少，直至1997 年之后發(fā)文量才有所提升。根據(jù)發(fā)文時間跨度，可將振蕩燃燒研究劃分為兩個階段：第一階段為1967—1996 年，累積發(fā)文量曲線呈指數(shù)分布規(guī)律，屬緩慢發(fā)展期，年均發(fā)文量僅為1 篇，振蕩燃燒研究開始受到關(guān)注，但是相關(guān)研究成果較少；第二階段為1997—2020年，累積發(fā)文量曲線呈線性分布規(guī)律，屬快速發(fā)展期，年均發(fā)文量為25 篇，振蕩燃燒研究逐漸受到關(guān)注，相關(guān)研究成果噴涌而出。發(fā)文量峰值出現(xiàn)在2017 年，發(fā)文量為48 篇，占比7.49%，主要關(guān)注由振蕩燃燒引發(fā)的噪聲問題以及預測和抑制振蕩燃燒的措施。

圖2 累積發(fā)文量分布

2.2 作者分析

核心作者是指那些發(fā)文量較多、影響較大的作者集體，同時也是學術(shù)影響力、競爭力的重要貢獻者[10]。對振蕩燃燒領(lǐng)域的核心作者進行統(tǒng)計，有助于明確該領(lǐng)域研究的中堅力量。經(jīng)統(tǒng)計，641 篇文獻共有作者945人，作者最高發(fā)文量為50篇。

根據(jù)公式（1），nmax為50，計算得m為5.3篇，約為5篇，可知發(fā)文量5 篇（含5 篇）以上的作者為核心作者；根據(jù)公式（2），N為945，計算結(jié)果為30.7，約為31，可知發(fā)文量排名前31 位（含31 位）的作者為核心作者。綜合公式（1）和公式（2）的計算結(jié)果，可知發(fā)文量9篇（含9 篇）以上、排名前31 位的作者為核心作者，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 核心作者（部分）

經(jīng)統(tǒng)計，31位核心作者發(fā)文總量為574篇，來自17家機構(gòu)，機構(gòu)分布于5 個國家。31 位核心作者是振蕩燃燒研究的核心力量，為該領(lǐng)域的研究和發(fā)展做出了巨大貢獻。分析核心作者當前所屬機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，有27位核心作者所屬機構(gòu)為高校，占比87.10%，其余12.90%來自科研機構(gòu)和企業(yè)，可知高校是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。分析核心作者當前所屬機構(gòu)分布國家發(fā)現(xiàn)，有18 位核心作者當前所屬機構(gòu)位于美國，占比58.06%，可知美國是振蕩燃燒研究的主要貢獻者；只有Moeck J P 當前所屬機構(gòu)位于挪威，經(jīng)查看原文發(fā)現(xiàn)，該作者先后任職德國柏林工業(yè)大學、法國國家科學研究中心和挪威科技大學，針對振蕩燃燒的研究始于2007 年，累積發(fā)文20 篇。盡管Moeck J P 所屬機構(gòu)發(fā)生了變化，但是自其任職新的機構(gòu)起，均與其前一任職機構(gòu)開展合作，研究振蕩燃燒相關(guān)問題，推測相關(guān)研究是以Moeck J P 為核心成員的某一研究項目的成果轉(zhuǎn)化。

2.3 機構(gòu)分析

對振蕩燃燒領(lǐng)域的核心機構(gòu)進行統(tǒng)計，有助于明確該領(lǐng)域研究的力量分布[11]。經(jīng)統(tǒng)計，945位作者來自264家機構(gòu)，機構(gòu)最高發(fā)文量為69篇。

根據(jù)公式（1），nmax為69，計算得m為6.2篇，約為6篇，可知發(fā)文量6篇（含6 篇）以上的機構(gòu)為核心機構(gòu)；根據(jù)公式（2），N為264，計算結(jié)果為16.2，約為16，可知發(fā)文量排名前16 位（含16 位）的機構(gòu)為核心機構(gòu)。綜合公式（1）和公式（2）的計算結(jié)果，可知發(fā)文量16 篇（含16 篇）以上、排名前16 位的機構(gòu)為核心機構(gòu)，具體如表2所示。

表2 核心機構(gòu)（部分）

經(jīng)統(tǒng)計，16家核心機構(gòu)發(fā)文總量為490篇，分布于4 個國家。16 家核心機構(gòu)是振蕩燃燒研究的核心力量，其研究成果可以引領(lǐng)該領(lǐng)域未來的研究方向和發(fā)展趨勢。分析核心機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，有11 家核心機構(gòu)為高校，占比68.75%，其余31.25%均為科研機構(gòu)，可知高校是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。分析核心機構(gòu)分布國家發(fā)現(xiàn)，有8 家核心機構(gòu)位于美國，占比50%，可知美國是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。

Aventador SVJ限量版車型以SVJ 63命名，以紀念蘭博基尼汽車的成立年份—1963年，該車全球僅限量生產(chǎn)63臺。Aventador SVJ 63搭載了擁有全新升級進氣口和氣流通道設(shè)計的ALA 2.0系統(tǒng)，極盡擷取有關(guān)最高速度、極致動感和卓越空氣動力學設(shè)計的每份靈感。強大的V12自然吸氣發(fā)動機，在最高轉(zhuǎn)速8500轉(zhuǎn)/分時能夠爆發(fā)出770馬力。配合四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，特別配置和大量碳纖維材質(zhì)，Aventador SVJ 63將超級跑車的定義提升至全新高度。

3 熱點方向分析

3.1 自由詞分析

對EI數(shù)據(jù)庫給出的自由詞進行統(tǒng)計，有效規(guī)避文摘數(shù)據(jù)庫對自然語言的干預，獲取文獻最直觀的研究內(nèi)容。為得到嚴謹、正確的分析結(jié)果，對自由詞進行統(tǒng)一化處理，消除單復數(shù)形式不統(tǒng)一、多詞一意等含糊問題，剔除飛機、發(fā)動機、主燃燒室、加力燃燒室等寬泛詞匯。

經(jīng)統(tǒng)計，共有2 268 組自由詞，累積標引4 517 次。根據(jù)自由詞標引次數(shù)頻率，將其按照標引次數(shù)遞減的順序輸出，如圖3 所示。由圖3 可知，自由詞詞頻情況分布曲線呈現(xiàn)階梯形破碎折線形式，整體契合齊普夫分布曲線[12]。從詞頻分布的擬合度來看，反映擬合優(yōu)度的決定系數(shù)R2=0.7154，自由詞的分布規(guī)律擬合冪律分布規(guī)律，標引n次自由詞的個數(shù)隨標引次數(shù)的增加而減少，說明只有極少數(shù)的自由詞被經(jīng)常使用，而絕大多數(shù)自由詞很少被使用。

圖3 自由詞詞頻分布

如圖3 所示，極少數(shù)被經(jīng)常使用的自由詞標引次數(shù)大于50 次，包括燃燒不穩(wěn)定、熱聲不穩(wěn)定以及壓力振蕩，屬于研究熱點方向，研究人員針對這3個方向的發(fā)文較多；絕大多數(shù)很少被使用的自由詞標引次數(shù)小于50 次，包括非穩(wěn)態(tài)壓力、自適應(yīng)控制、穩(wěn)定性分析等，涉及振蕩燃燒的多個方向，研究人員針對每個方向的發(fā)文較少。綜上所述，振蕩燃燒領(lǐng)域研究重點明確，但整體關(guān)注焦點較為分散，究其原因可能是因為振蕩燃燒本身是一個較為復雜的問題，涉及學科領(lǐng)域眾多，要想在短時間內(nèi)對其進行全方位且深入的研究，然而存在一定困難，因此研究人員通過采用先廣泛研究多個專業(yè)方向，同時重點研究其中某些亟待解決的重點方向的策略開展振蕩燃燒研究，進而使得自由詞呈現(xiàn)冪律分布規(guī)律的特征。

根據(jù)自由詞詞頻及其分布規(guī)律，標引次數(shù)超過20次（含20 次），排名前15 位的自由詞累積標引次數(shù)為912 次，占比20.19%，根據(jù)二八定律[13]，可以認定這15個自由詞為高頻自由詞，具體如表3所示。

表3 高頻自由詞

3.2 研究熱點

由機構(gòu)分析結(jié)果可知，50%的核心機構(gòu)分布于美國，根據(jù)機構(gòu)性質(zhì)可將分布于美國的核心機構(gòu)分為高校和科研機構(gòu)兩類，分別選取這兩類機構(gòu)中發(fā)文量排名第一位的代表性機構(gòu)，佐治亞理工學院（69 篇）、AFRL（21 篇）進行分析。結(jié)合代表性機構(gòu)發(fā)文的自由詞與高頻自由詞交叉統(tǒng)計的結(jié)果，確定了68篇核心文獻，其中佐治亞理工學院50篇、AFRL 18篇。采用文獻綜述法，對68 篇核心文獻進行分析，綜述代表機構(gòu)重點關(guān)注方向的研究成果，以期管窺振蕩燃燒領(lǐng)域的研究熱點。

3.2.1 佐治亞理工學院的研究成果

佐治亞理工學院累積發(fā)表核心文獻50篇，時間跨度為1989—2020年，針對振蕩燃燒研究的關(guān)注焦點呈現(xiàn)先集中、后分散的特點，前期重點關(guān)注主動控制研究，發(fā)文量較多；后期關(guān)注熱聲振蕩、壓力振蕩等方向，但針對每個方向的發(fā)文較少。此小節(jié)針對佐治亞理工學院的重點關(guān)注方向——主動控制研究進行綜述。

佐治亞理工學院針對主動控制研究的發(fā)文時間跨度為1996—2007 年，發(fā)文量為13 篇，占比26%。1996年，描述了針對新的、能夠快速衰減有害燃燒不穩(wěn)定性的主動控制方法的理論和實驗研究。1997年，綜述主動控制方法及理論模型的發(fā)展和應(yīng)用。在文章中對被動控制方法首先進行了介紹，由于對驅(qū)動不穩(wěn)定性的基本過程缺乏足夠的了解，且被動控制僅適用于某些運行工況下的特定燃燒室設(shè)計，被動控制方法的實施效果不盡如人意。由于被動控制方法存在上述劣勢，人們越來越關(guān)注主動控制方法的研究。與被動控制方法相比，主動控制方法的變通性更強，能夠適用于多種發(fā)動機運行工況下的不同類型燃燒室，其通過持續(xù)檢測、評估燃燒室狀態(tài)，迫使燃燒室按其所需的方式運行，進而主動控制燃燒不穩(wěn)定性。通常，主動控制系統(tǒng)由壓力傳感器、觀測器、控制器和執(zhí)行裝置組成。上述研究為開發(fā)不穩(wěn)定燃燒室閉環(huán)控制研究平臺模型提供理論基礎(chǔ)。

2000—2006 年，針對主動控制進行了一系列實驗研究。通過實驗研究了最近開發(fā)的主動控制燃燒不穩(wěn)定性的自適應(yīng)控制方案性能。研究發(fā)現(xiàn)，該方案能夠有效控制大幅度的振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生；為增強對開環(huán)控制研究方法的理解，通過實驗研究了開環(huán)主動控制在燃燒室內(nèi)有效抑制嚴重燃燒不穩(wěn)定性方面的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)，在燃燒室諧振頻率足夠低的情況下，開環(huán)主動調(diào)節(jié)燃油噴射速率可以有效抑制燃燒不穩(wěn)定性；為研究“緩慢”主動控制的可行性，通過實驗研究了聲學-燃燒過程耦合對液體燃料噴霧特性的依賴性，進而研究了燃燒不穩(wěn)定性的驅(qū)動與液體燃料噴霧液滴大小的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，通過改變噴霧特性，能夠有效防止有害燃燒不穩(wěn)定性的發(fā)生。

2007 年，對近年來佐治亞理工學院研究的3 種主動控制方法進行綜述。第一種方法使用閉環(huán)主動控制系統(tǒng)，能夠瞬間（約40 μs）有效抑制燃燒不穩(wěn)定性；第二種方法通過主動修改特征燃燒時間抑制燃燒不穩(wěn)定性，通過智能燃油噴射器設(shè)置有效抑制振蕩燃燒；第三種方法通過在不同于非穩(wěn)定頻率的頻率下開環(huán)、周期性地調(diào)節(jié)燃油噴射速率來主動控制燃燒不穩(wěn)定性，在特定頻率范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)燃油噴射速率能夠完全消除振蕩燃燒。

3.2.2 AFRL的研究成果

AFRL累積發(fā)表核心文獻18篇，時間跨度為2000—2020 年，針對振蕩燃燒研究的關(guān)注焦點較為分散，涉及振蕩燃燒的多個方向，包括熱聲不穩(wěn)定、熱聲振蕩以及主動控制等方向，針對每個方向的發(fā)文較少。此小節(jié)按照發(fā)文時間順序?qū)FRL 關(guān)注的各個方向進行綜述。

2000 年，通過實驗研究了在噴油器/火焰穩(wěn)定器（IFF）后建立的擴散形火焰燃燒不穩(wěn)定性的主動控制，在給定試驗條件下，使用平面激光誘導熒光（PLIF）技術(shù)探測詳細的火焰結(jié)構(gòu)，并在不同燃料配比和二次燃料噴射的情況下對燃燒不穩(wěn)定性進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)二次燃料噴射位置，僅通過改變?nèi)剂吓浔染涂梢詫⑷紵环€(wěn)定性降低50%～90%。2001年，持續(xù)關(guān)注主動控制研究，認為控制燃燒過程能夠提高燃氣渦輪發(fā)動機的性能和耐久性，影響生命周期成本。

2011年，在前人對聲學和放熱耦合進行的大量研究基礎(chǔ)上，提出了一種耦合動力學的新方法。利用高速火焰圖像和高速壓力傳感器，對鈍體穩(wěn)定火焰的渦脫、火焰動力學和聲學之間的關(guān)系進行了探索，研究發(fā)現(xiàn)，火焰輻射的聲音范圍很廣，當火焰聲音輻射與燃燒室的其中一種模式耦合時，會發(fā)生聲學耦合。2013—2015 年，通過計算和仿真對貧油直噴（LDI）燃燒室自激燃燒不穩(wěn)定性開展系列研究，并通過實驗研究驗證仿真結(jié)果。研究識別了導致燃燒不穩(wěn)定性的原理，評估了燃料噴射模型在預測燃燒不穩(wěn)定性方面的效果。2017年，先后研究了燃燒室從穩(wěn)定運行自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕娏易约崧曊袷幍娜紵Ｊ降臋C理以及用于識別和表征燃燒室熱聲脈動開始前兆的分析工具。隨后研究了燃料類型對燃燒室自激熱聲燃燒不穩(wěn)定性趨勢的影響，并持續(xù)至今。研究發(fā)現(xiàn)，對于固定的進氣溫度，燃料類型不會改變自激不穩(wěn)定性模式類型，也不會影響共振頻率。

綜上所述，主動控制方法研究是振蕩燃燒領(lǐng)域的研究熱點，相關(guān)研究成果較為成熟。結(jié)合各代表性機構(gòu)的發(fā)文特征可知，佐治亞理工學院針對振蕩燃燒的研究焦點呈現(xiàn)先集中后分散的特點，由此可以推測，高校更加關(guān)注振蕩燃燒的研究深度，針對某一主題開展系統(tǒng)研究，以期對這一主題的理解更加透徹；AFRL 針對振蕩燃燒的研究焦點呈現(xiàn)較為分散的特點，由此可以推測，科研機構(gòu)更加關(guān)注振蕩燃燒的研究廣度，從宏觀把握振蕩燃燒的方方面面，雖然針對各領(lǐng)域的研究數(shù)量不多，但是涉及的方面較為全面。

4 結(jié)語

該文對航空發(fā)動機振蕩燃燒文獻進行了系統(tǒng)分析，明確了該領(lǐng)域的研究進展，確定了研究的中堅力量，結(jié)合代表性機構(gòu)的研究成果明確了研究熱點和發(fā)文特征。由于專業(yè)受限，很多理論性的知識分析還有待進一步深入，惟愿拓展科研人員思路，以期為我國航空發(fā)動機研制提供借鑒和參考。