唐浩然 沈赤兵 杜兆波 韓毅 劉苗娥

引用格式：唐浩然，沈赤兵，杜兆波，等.超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃料混合增強(qiáng)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.航空兵器，2023，30（1）：80-94.

TangHaoran，ShenChibing，DuZhaobo，etal.ResearchProgressonFuelMixingEnhancementTechnologyofScramjet［J］.AeroWea-ponry，2023，30（1）：80-94.（inChinese）

摘要：隨著超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃料的高效混合與燃燒技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。由于在高馬赫數(shù)飛行條件下，燃料在燃燒室內(nèi)駐留時(shí)間極短，而混合過程對燃料和來流的熱釋放具有重要影響，因此需要一種具有高混合效率的燃料噴注方案，國內(nèi)外學(xué)者對此提出了多種混合增強(qiáng)技術(shù)。本文對壁面橫向射流、凹腔、激波/剪切層干擾以及波形壁混合增強(qiáng)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，梳理總結(jié)了各類方法的混合增強(qiáng)機(jī)理與主要特點(diǎn)，并提出對混合增強(qiáng)技術(shù)未來研究方向的展望。

關(guān)鍵詞：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；混合增強(qiáng)；橫向射流；凹腔；入射激波；波形壁

中圖分類號：TJ760.1；V43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2023）01-0080-15

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0085

0引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)飛行器在大氣層內(nèi)高超聲速飛行的最佳推進(jìn)系統(tǒng)之一，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無需攜帶額外氧化劑等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，已經(jīng)成為當(dāng)前航空航天領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。高馬赫數(shù)飛行條件下燃燒室內(nèi)氣流以超聲速運(yùn)動(dòng)，在有限的空間尺度內(nèi)氣流駐留時(shí)間極短，僅為毫秒量級，在短時(shí)間內(nèi)需要完成燃料的噴注、混合、點(diǎn)火和燃燒等物理化學(xué)過程，因此燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料和超聲速氣流的充分混合是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵之一［5-6］。

幾十年來，許多學(xué)者對超聲速流動(dòng)中燃料的混合增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了研究，Seiner等［7］對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的混合增強(qiáng)裝置進(jìn)行了歸納和梳理，將其劃分為主動(dòng)混合增強(qiáng)裝置與被動(dòng)混合增強(qiáng)裝置，文獻(xiàn)［8-9］對各種混合增強(qiáng)方法的優(yōu)勢和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的發(fā)展方向做出了展望，表1給出了常見的混合增強(qiáng)方法及其混合增強(qiáng)機(jī)理。

被動(dòng)混合增強(qiáng)方法有利于擴(kuò)大射流/來流接觸面積，但是以犧牲一定的總壓為代價(jià)；而主動(dòng)混合增強(qiáng)方法是從激發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定性的角度出發(fā)增強(qiáng)渦運(yùn)動(dòng)和破碎，進(jìn)而提高混合效率［10］。燃料混合對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和燃燒過程的影響非常顯著，間接決定高超聲速飛行器的全局性能。

本文選擇了幾種典型混合增強(qiáng)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，分別對壁面橫向射流、凹腔、激波/剪切層干擾以及波形壁混合增強(qiáng)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，總結(jié)了各波形壁［102-109］通過大尺度自激勵(lì)增強(qiáng)流動(dòng)不穩(wěn)定性類方法的混合增強(qiáng)機(jī)理與主要特點(diǎn)，最后對混合增強(qiáng)技術(shù)未來的研究方向提出了展望。

1壁面橫向射流

壁面橫向射流是一種簡單有效的混合增強(qiáng)方法，根據(jù)燃料種類不同分為氣態(tài)橫向射流與液態(tài)橫向射流。超聲速來流中氣態(tài)氫燃料與液態(tài)碳?xì)淙剂系纳淞髁鲌鐾負(fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，但液態(tài)燃料在點(diǎn)火前需要經(jīng)歷射流破碎、霧化、蒸發(fā)及混合等過程，導(dǎo)致其較難實(shí)現(xiàn)在超聲速氣流中的點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒，從而使液態(tài)燃料射流在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用受到較多限制［110］。本文主要對氣態(tài)單孔/多孔橫向射流進(jìn)行介紹。

1.1壁面單孔橫向射流

Techer等［111］對超聲速來流中壁面單孔橫向射流流場進(jìn)行了研究，橫向射流與主流相互作用產(chǎn)生的流場結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于噴孔出口壓力高于主流，欠膨脹燃料射流以聲速進(jìn)入流場后發(fā)生普朗克-邁耶膨脹，同時(shí)在超聲速來流作用下向主流偏轉(zhuǎn)，射流邊界上的恒定壓力使其向射流中軸線彎曲，從而產(chǎn)生桶狀激波與馬赫盤。射流對來流的阻礙使得射流上游形成了三維弓形激波，弓形激波沿壁面產(chǎn)生的逆壓梯度導(dǎo)致來流邊界層分離，并進(jìn)一步形成了分離激波和分離區(qū)；在噴孔下游近壁面區(qū)域，由于射流與來流的相互作用產(chǎn)生了相對于射流的繞流，進(jìn)而形成了回流區(qū)和馬蹄渦結(jié)構(gòu)；在射流下游位置還存在反向旋轉(zhuǎn)渦對以及近壁面旋轉(zhuǎn)渦對結(jié)構(gòu)，這些復(fù)雜的激波和渦結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)射流與空氣的混合。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對超聲速橫向射流流場進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，包括射流噴孔數(shù)目、噴孔形狀、噴注角度、噴注壓比及燃料種類等對燃燒室內(nèi)的摻混和燃燒的影響。Sun和Hu［15-17］針對超聲速（馬赫數(shù)為2.7）來流中橫向射流流場開展了直接數(shù)值模擬研究，對比了不同動(dòng)量通量比工況下的流場結(jié)構(gòu)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，射流上尾跡渦結(jié)構(gòu)的形成與馬赫盤有關(guān)，馬赫盤后與自由來流交界處存在的斜壓扭矩誘導(dǎo)產(chǎn)生了上尾跡渦，反向旋轉(zhuǎn)渦對的主渦結(jié)構(gòu)形成于射流羽流的側(cè)面部分，在下游由于斜壓扭矩的消失和主渦的卷吸作用，上尾跡渦與其他誘生尾跡渦共同并入主反向旋轉(zhuǎn)渦對，主導(dǎo)下游混合過程，并在遠(yuǎn)場逐漸破碎成尺度更小的渦，而壁面尾跡渦則不受主渦卷吸作用影響，如圖2所示。

Liang等［112］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了超聲速（馬赫數(shù)為2.95）來流中橫向射流的流場結(jié)構(gòu)及流動(dòng)機(jī)理。將基于納米顆粒的平面激光散射（NPLS）技術(shù)與油流技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)流場可視化。在動(dòng)量通量比為7.7的條件下，NPLS技術(shù)清晰地觀察到了弓形激波、桶狀激波、馬蹄渦和分離區(qū)等典型結(jié)構(gòu)。根據(jù)油流結(jié)果識別出了V形分離泡和V形碰撞激波。通過數(shù)值計(jì)算揭示了V形分離泡周圍的流場結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，碰撞激波誘導(dǎo)的V形分離泡會進(jìn)一步影響馬赫盤、反射激波和桶狀激波，反射激波使碰撞激波向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，而碰撞激波與桶狀激波相交則會使馬赫盤的形狀發(fā)生改變。此外，反射激波與壁面之間的相互作用導(dǎo)致近壁面區(qū)域產(chǎn)生了速度滑移，圖3為橫向射流在不同水平面上的馬赫數(shù)云圖和密度云圖。Liu等［113］通過流場參數(shù)分析揭示了射流周圍湍流邊界層的流動(dòng)特性與流場結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

超聲速橫向來流與聲速射流之間速度剪切引起的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定是誘導(dǎo)射流剪切層不穩(wěn)定的內(nèi)在機(jī)制，進(jìn)而影響近場的混合特性。Zhang等［114］使用流場可視化技術(shù)研究了超聲速橫向射流流場的瞬時(shí)流動(dòng)特性，瞬時(shí)紋影圖像（如圖5所示）顯示了迎風(fēng)面剪切層中大尺度擬序結(jié)構(gòu)的演化。由于剪切層渦的準(zhǔn)周期性脫落以及剪切層渦與激波系的相互作用，流場表現(xiàn)出了明顯的非定常特性。Erdem等［115］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于剪切層的存在，最大湍流出現(xiàn)在馬赫盤上方桶狀激波與弓形激波的迎風(fēng)面交界處。

2020年，Sebastian等［116］研究了射流噴注角度對流場結(jié)構(gòu)的影響，對超聲速（馬赫數(shù)為2.5）來流中沿展向傾斜噴注的射流流場進(jìn)行大渦模擬。結(jié)果顯示，傾斜射流的流動(dòng)特征與橫向射流相似，但因其射流噴注的不對稱性導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，上游形成了傾斜的弓形激波和分離區(qū)，在射流尾跡的近壁面區(qū)域形成了準(zhǔn)V形分離區(qū)，流向渦結(jié)構(gòu)如圖6所示。反向旋轉(zhuǎn)渦對的主渦結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場下游形成了強(qiáng)度不對等的流向渦對，其中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流向渦夾帶了高動(dòng)量流體，增加了壁面附近的邊界層速度，有效抑制了邊界層的流動(dòng)分離。這種特性使得展向傾斜噴注射流成為分離控制的理想選擇。

Fan等［117］研究了噴孔形狀對超聲速（馬赫數(shù)為4）氣流中燃料射流混合機(jī)理的影響，分別對采用2/3/4波瓣形噴孔（如圖7所示）的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對射流穿透深度、燃料混合效率與環(huán)流系數(shù)進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，3波瓣噴孔射流流場中形成了較強(qiáng)的馬蹄渦，使燃料沿展向擴(kuò)散分布，燃料混合效率較其他工況提升了約25%。

1.2壁面多孔橫向射流

與壁面單孔橫向射流相比，多孔橫向射流及其組合增強(qiáng)方法能有效促進(jìn)燃料混合并提升射流穿透深度，受到很多學(xué)者的關(guān)注與研究。Gerdroodbary等［118-120］用數(shù)值模擬的方法研究了空氣射流對超聲速橫流中單/多孔氫氣射流混合特性的影響。通過設(shè)置不同噴孔數(shù)量的燃料噴注陣列，在相同條件下（馬赫數(shù)為4，燃料總當(dāng)量比為0.5）針對混合效率、穿透深度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，空氣射流的存在顯著提高了混合速率，能夠使1/4/8/16孔燃料射流的混合效

率分別提升116%、77%、56%、41%，其中16孔燃料射流混合效率最高。在燃料射流下游近場，空氣射流能夠顯著提升單個(gè)燃料射流的穿透深度，而對于多孔射流穿透深度則無明顯提升。此外，隨著空氣射流噴孔數(shù)量以及總壓比的增加，燃燒室內(nèi)的總壓損失也隨之增大。

Jiang等［121］評估了超聲速來流角度對多孔氫氣射流混合特性的影響，通過數(shù)值模擬對不同來流角度下燃料射流的穿透深度及混合效率進(jìn)行量化分析。圖9為不同來流角度下的多孔射流氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。結(jié)果顯示，來流角度對多孔氫氣射流流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，正來流角能夠提升燃料穿透深度并擴(kuò)大射流下游的混合區(qū)，負(fù)來流角則限制了燃燒室內(nèi)的燃料射流分布。當(dāng)來流角度從-20°增加到+20°，燃料混合效率提高了約50%。

Liang等［122］對并聯(lián)多孔燃料噴注進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了噴孔間距對流動(dòng)特性的影響。研究顯示，在射流噴孔間距較小的情況下，3個(gè)噴孔的流場結(jié)構(gòu)（包括弓形激波、分離區(qū)、馬蹄渦和射流主流）幾乎合并為一個(gè)；隨著噴孔間距增加，弓形激波合并為正常激波，分離區(qū)相互作用；當(dāng)噴孔間距足夠大時(shí)，射流主流相互獨(dú)立，而弓形激波相互作用形成一個(gè)復(fù)雜的激波系。多股射流的相互作用通常會促進(jìn)湍流的發(fā)展，而當(dāng)射流之間距離過近時(shí)，其相互作用則會限制湍流的發(fā)展，其水平面內(nèi)瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)如圖10所示。

Zhang等［123］研究了氫氣-空氣同軸混合射流在超聲速（馬赫數(shù)為4）來流下的燃料混合性能，噴孔結(jié)構(gòu)如圖11所示。對流場結(jié)構(gòu)的分析表明，與氫氣射流相比，氫氣-空氣混合射流提升了射流下游的軸向渦強(qiáng)度，同時(shí)增加了射流穿透深度，有助于燃燒室內(nèi)的燃料混合。在此研究的基礎(chǔ)上，Zhang等［124］又組合多孔噴注陣列，研究了超聲速來流中多孔氫氣-空氣混合射流對燃料混合性能的影響，圖12為流場的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。

研究發(fā)現(xiàn)，采用氫氣-空氣同軸混合噴注方式能夠顯著改善多孔射流流場的燃料混合，空氣射流的加入提升了混合射流的穿透深度，并使下游近場的軸向渦得到加強(qiáng)。此外，在射流噴孔陣列布置方面，當(dāng)噴孔間距較小時(shí)，射流之間相互作用較弱，存在一個(gè)最優(yōu)間距使射流之間能夠形成較強(qiáng)的渦結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到最佳的混合效果。

Peng等［125］針對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)射流上游布置后向臺階結(jié)構(gòu)的多孔射流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了來流馬赫數(shù)和射流噴孔間距對混合特性的影響。圖13為流場的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，結(jié)果顯示，上游臺階的存在使得第一股射流和臺階邊緣之間形成了回流區(qū)，這將有助于增強(qiáng)第一股射流近場的燃料混合，而來流馬赫數(shù)和射流壓力增加則會減小臺階產(chǎn)生的影響。此外，噴孔間距增加導(dǎo)致噴孔之間展向渦強(qiáng)度增加，有助于燃料沿展向分布，增加了燃料的混合增強(qiáng)區(qū)域，從而使混合效率得到提升。隨著噴孔間距從4DJ增加到10DJ（DJ為噴孔直徑），下游混合效率提高了28%。Liu等［126］評估了射流壓力和臺階高度等參數(shù)對流動(dòng)結(jié)構(gòu)和混合特性的影響。研究表明，臺階結(jié)構(gòu)的存在有效促進(jìn)了射流與

來流空氣的混合，在低總壓比的射流中臺階混合增強(qiáng)的效果更加明顯。此外，臺階高度從0.5mm增加至2mm，燃料混合效率提高了15%以上。Li等［127］則從射流噴孔數(shù)量因素考慮對混合特性的影響，發(fā)現(xiàn)在多孔射流上游安置后向臺階的工況下，將射流噴孔數(shù)量從4個(gè)增加到8個(gè)，可使燃燒室內(nèi)的混合效率提高15%。

壁面橫向射流結(jié)構(gòu)簡單，易于工程應(yīng)用，但其較長的燃料混合長度對燃燒室尺寸提出了較高要求，故更適用于大尺度發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃料混合增強(qiáng)。表2為壁面橫向射流混合特性的主要影響因素及研究結(jié)論。

2凹腔混合增強(qiáng)

高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)工作在馬赫數(shù)6以下時(shí)，進(jìn)入燃燒室的氣流總焓不高，單純的橫向射流噴注方案難以實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定，因此，需要支板或凹腔等穩(wěn)焰裝置來維持射流穩(wěn)定燃燒。橫向射流組合凹腔的混合增強(qiáng)方式不僅能夠起到穩(wěn)定火焰的作用，而且不會產(chǎn)生過多總壓損失［79］。凹腔內(nèi)形成的低速回流區(qū)能夠有效延長燃料的駐留時(shí)間，然而射流與凹腔之間的耦合效應(yīng)可能導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了揭示凹腔內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與混合增強(qiáng)機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者對其開展了大量研究，重點(diǎn)評估了凹腔構(gòu)型、噴注壓力以及射流與凹腔相對位置的影響。文獻(xiàn)［79，87］針對超聲速（馬赫數(shù)為2.5）橫向射流耦合下游凹腔噴注實(shí)驗(yàn)開展了大渦數(shù)值模擬，研究了凹腔內(nèi)流向渦的演化機(jī)理及射流下游燃料的混合特性。結(jié)果顯示，凹腔內(nèi)存在兩對反向旋轉(zhuǎn)渦。圖14為流場中不同流向截面上的渦量云圖，上反向旋轉(zhuǎn)渦對是由射流與超聲速氣流的相互作用產(chǎn)生，主導(dǎo)著下游尾跡內(nèi)的燃料混合。在上反向旋轉(zhuǎn)渦對的卷吸作用下，凹腔內(nèi)的回流在靠近流場中心的區(qū)域被卷入射流尾跡，從而形成另一對同向的流向渦，促進(jìn)了凹腔內(nèi)外的質(zhì)量交換。針對流場的標(biāo)量混合特性分析進(jìn)一步證明了凹腔能一定程度上提高燃料與空氣的混合效率，同時(shí)不會帶來過多的總壓損失。Mengistu等［77］比較了馬赫數(shù)為1.5/2.5/3.5的三種工況下的總壓損失和混合效率，以評估來流馬赫數(shù)對橫向射流組合下游凹腔燃料混合的影響。結(jié)果顯示，在來流馬赫數(shù)較低工況下，凹腔內(nèi)形成較大的回流區(qū)，燃料分布更均勻，因而具有更好的混合效果，隨著來流馬赫數(shù)增加，燃料混合效率降低的同時(shí)也產(chǎn)生了更大的總壓損失。

Kannaiyan［76］對凹腔構(gòu)型在燃料輸運(yùn)混合過程中的作用進(jìn)行了研究，分別對方形凹腔（長深比L/D=1）與梯形凹腔（L/D＞1且后緣角小于90°）燃燒室內(nèi)的乙烯燃料

噴注過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，方形凹腔結(jié)構(gòu)對流動(dòng)和混合特性的影響較小，而在梯形凹腔燃燒室內(nèi)燃料滯留時(shí)間有了顯著提升，這有助于提升燃料的混合效率并實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)焰效果。Ma等［68］對后緣突擴(kuò)型凹腔

燃燒室的混合和燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，比較了不同凹腔深度和噴孔位置的工況，以評估這些參數(shù)變化產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，噴孔與凹腔前緣距離較近、凹腔深度較大的燃燒室可以抑制燃燒振蕩，具有較好的穩(wěn)焰效果，圖15給出了燃燒室凹腔內(nèi)混合與燃燒過程的示意圖。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著噴孔靠近凹腔前緣，凹腔內(nèi)剪切層向上抬升，促進(jìn)了剪切層與燃料射流的相互作用，使更多燃料進(jìn)入凹腔內(nèi)部，從而增強(qiáng)了燃燒室的混合及燃燒性能，而深度較小的凹腔中剪切層厚度較大，沿法向表現(xiàn)出更明顯的剪切層振蕩，凹腔內(nèi)剪切層振蕩有助于提高混合效率，但不利于燃燒，因此，認(rèn)為在設(shè)計(jì)凹腔穩(wěn)焰器時(shí)，存在對于凹腔深度的優(yōu)化問題。Jiang等［75］對凹腔后緣高度與射流位置對燃料混合的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在凹腔后緣高度大于前緣高度的條件下，后壁面的逆向噴注有助于燃料混合；對于后緣高度較低的凹腔結(jié)構(gòu)，前壁面噴注更有助于提升燃料混合效率。凹腔內(nèi)的主回流區(qū)是影響混合的主要因素，減弱主回流區(qū)的強(qiáng)度能夠改善凹腔內(nèi)燃料的混合過程。

Anyoji等［67］就一種新構(gòu)型凹腔對超聲速橫向射流的混合增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了研究。該凹腔后緣采用分隔式設(shè)計(jì)，后緣凹槽處采用斜坡結(jié)構(gòu)，并在斜坡下游布置射流噴孔，如圖16（a）所示。研究結(jié)果表明，凹腔內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)作用于剪切層，使其向上抬升，剪切層將主流與射流隔開，從而提升了射流的穿透深度。此外，凹腔后緣結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)生成的膨脹波和壓縮波，會使射流產(chǎn)生周期性大幅度的上下波動(dòng)，有效促進(jìn)了對空氣的卷吸和流場中的混合過程。Dai等［69］研究了具有相似結(jié)構(gòu)的凹腔后緣凹槽與后緣角對燃料混合的影響，圖16（b）為燃燒室布局示意圖。數(shù)值模擬結(jié)果表明，凹槽結(jié)構(gòu)的存在增強(qiáng)了下游湍流剪切層的混合和擴(kuò)散效應(yīng)，促進(jìn)了流向渦的形成與發(fā)展，與凹腔后緣無凹槽的工況相比，凹槽結(jié)構(gòu)使噴孔附近的混合效率降低，并增大了總壓損失，但其下游燃料混合效率得到了較大提升。此外，在后緣傾角30°的條件下，帶有凹槽的凹腔結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生最優(yōu)的混合效果。

Pandey等［88］對并聯(lián)凹腔燃燒室內(nèi)沖射流的冷流流場和燃燒流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬。燃燒室采用上下對稱布局設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了射流壓力和來流總溫變化對燃燒室流場特性的影響，如圖17所示。結(jié)果顯示，隨著射流壓力增加，凹腔附近會形成更大的渦結(jié)構(gòu)，使更多燃料射流進(jìn)入凹腔，從而增強(qiáng)了燃料與空氣的混合。此外，來流總溫的變化能夠影響流場燃燒特性，在來流總溫T0=1500K條件下，并聯(lián)凹腔具有最佳的穩(wěn)焰效果。

2019年，Roos等［83］研究了射流上游凹腔對流場結(jié)構(gòu)及燃料混合的影響，發(fā)現(xiàn)上游凹腔的存在，顯著改變了典型超聲速橫向射流的流場結(jié)構(gòu)，如圖18所示。射流上游分離區(qū)與凹腔內(nèi)回流區(qū)合并，凹腔結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)生成的激波降低了主流速度并使射流上游弓形激波強(qiáng)度減弱，流場結(jié)構(gòu)的變化使得射流穿透深度與混合效率增加的同時(shí)，降低了流場的總壓損失。隨后，又研究了射流上游半圓形凹腔的作用，凹腔結(jié)構(gòu)如圖19所示［78］。研究表明，半圓形凹腔的幾何結(jié)構(gòu)有助于流向渦的形成與發(fā)展，而流向渦渦度的增加則會進(jìn)一步增強(qiáng)下游燃料與空氣的混合，與無凹腔工況相比，射流穿透深度有所降低，但混合效率提升了22.6%。然后又在半圓形凹腔前/后壁面增加副燃料噴孔以進(jìn)一步增強(qiáng)混合，結(jié)果顯示凹腔內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)增大了腔內(nèi)燃料與空氣的接觸面積，其燃料混合效率最大提升了90.1%。

支板組合凹腔的混合增強(qiáng)方式因具有較好的燃料混合與穩(wěn)焰效果，也受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究。Kummitha等［128］將橫向支板與不同構(gòu)型的凹腔（階梯型與半球型）進(jìn)行組合，對燃燒室內(nèi)燃料的噴注、混合與燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，從流場結(jié)構(gòu)、混合效率與燃燒效率等方面綜合考察了支板組合凹腔結(jié)構(gòu)對燃燒室性能的影響。結(jié)果表明，凹腔前緣與后緣形成的一系列激波/膨脹波系與支板尾跡剪切層相互作用，使流場中產(chǎn)生了更多的回流區(qū)，如圖20所示?；亓鲄^(qū)面積增加進(jìn)一步延長了來流與燃料的滯留時(shí)間，并提升了兩者的混合效率。此外，對于階梯型與半球型凹腔的流場結(jié)構(gòu)對比表明，階梯型凹腔內(nèi)部形成了更大的回流區(qū)與更強(qiáng)的渦結(jié)構(gòu)，且凹腔剪切層更靠近主流，這些因素增強(qiáng)了凹腔內(nèi)外的質(zhì)量交換，因此，采用階梯型凹腔的燃燒室具有更好的燃料混合性能。

凹腔作為穩(wěn)焰裝置在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)雖然簡單，但每一項(xiàng)構(gòu)型參數(shù)改變均能對流場結(jié)構(gòu)與燃燒特性產(chǎn)生影響［85］，這其中涉及剪切層、流場波系、流體與聲學(xué)的相互作用等多方面問題。表3給出了凹腔流動(dòng)與穩(wěn)焰特性的主要影響因素及研究結(jié)論。3激波/剪切層干擾混合增強(qiáng)

激波/剪切層干擾作為一種有效的被動(dòng)混合增強(qiáng)方式，在高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域得到更多的關(guān)注與研究，研究內(nèi)容主要包括激波/剪切層干擾的混合增強(qiáng)機(jī)理、激波發(fā)生器的構(gòu)型及位置對混合增強(qiáng)的影響等。

Mai等［56］采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了超聲速氣流中激波發(fā)生器誘生的入射激波和橫向射流之間的相互作用。結(jié)果表明，只有在入射激波與射流下游流場相互作用時(shí)，才能促進(jìn)燃料混合并增強(qiáng)燃燒和火焰穩(wěn)定。Gerdroodbary等［54］的研究也證明了這一點(diǎn)。通過對激波/剪切層干擾下的超聲速（馬赫數(shù)為4）來流的流場研究，發(fā)現(xiàn)入射激波的位置對流場結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生影響，在高噴注壓比情況下，當(dāng)入射激波作用于第一個(gè)射流孔的頂部時(shí)，射流下游的燃料混合效率提高了20%以上；當(dāng)入射激波作用于最后一個(gè)射流孔的頂部時(shí)，下游的氫氣最大濃度降低20%。此外，Gerdroodbary等［52-53］還研究了入射激波對單孔/多孔橫向氫氣射流的影響，通過設(shè)置不同的總壓比（射流總壓與來流總壓之比）和射流噴孔間距進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，當(dāng)入射激波作用于總壓比為0.27的單孔/多孔射流中時(shí)，燃料混合效率顯著增加。圖21為不同噴孔間距的多孔射流流場結(jié)構(gòu)對比。隨著噴孔間距的增加，更大的空間自由度允許單個(gè)射流充分發(fā)展，在斜激波的影響下產(chǎn)生更多軸向旋轉(zhuǎn)渦對，從而提高了下游燃料混合效率。

Huang等［55］對入射激波和橫向射流之間的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究激波發(fā)生器的角度、大小及位置對流場結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，激波發(fā)生器的形狀對橫向噴射流場的影響大于激波發(fā)生器位置產(chǎn)生的影響，隨著激波發(fā)生器角度和射流噴注壓比增大，射流上游形成的激波向入口方向移動(dòng)，射流上游和下游的分離區(qū)隨入射激波強(qiáng)度的增加而增大。Zuo等［48］使用RANS方法研究了激波發(fā)生器角度對組合凹腔的單孔射流混合特性的影響。圖22給出了不同激波入射角度下的流場密度云圖和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。結(jié)果顯示，激波發(fā)生器誘導(dǎo)生成的入射激波使更多燃料射流向凹腔內(nèi)輸送，這有助于燃料擴(kuò)散并與空氣混合；同時(shí)，激波發(fā)生器存在一個(gè)最優(yōu)角度來達(dá)到最佳的混合效果，最優(yōu)角度隨著射流噴注壓比的增加而減小。此外，小角度入射激波有利于提升射流的穿透深度，且不會產(chǎn)生較大的總壓損失。隨著激波發(fā)生器角度增加，入射激波逐漸向上游移動(dòng)，使主流中產(chǎn)生馬赫桿，導(dǎo)致總壓損失急劇增加，這不利于發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

Choubey等［49］重點(diǎn)研究了激波發(fā)生器的數(shù)量和位置對超聲速橫向射流混合的影響，對采用不同激波發(fā)生器布局的四種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖23所示。結(jié)果顯示，雙激波發(fā)生器布局對燃料混合增強(qiáng)的效果更加顯著，而在雙激波發(fā)生器工況中下，壁面激波發(fā)生器遠(yuǎn)離噴孔的布局有著最高的射流穿透深度和混合效率。流動(dòng)分析表明，該布局在射流近場有著更強(qiáng)的展向渦和更大的回流區(qū)。Huang等［50］考慮了激波發(fā)生器組合下壁面臺階結(jié)構(gòu)的布局對燃料混合增強(qiáng)的作用，對存在激波/剪切層干擾

條件下的二維超聲速橫向射流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，圖24為流場氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。結(jié)果表明，上壁面激波發(fā)生器誘發(fā)的入射激波，增加了燃料的穿透深度和滯留時(shí)間，且燃料分布區(qū)域隨著斜激波向上游擴(kuò)展。此外，當(dāng)射流噴注壓比足夠大時(shí)，臺階下游形成的回流區(qū)將增大，這有助于改善燃料與空氣的混合過程；同時(shí)，認(rèn)為激波發(fā)生器組合臺階結(jié)構(gòu)作為一種理想的混合增強(qiáng)方式，應(yīng)當(dāng)對其三維混合增強(qiáng)機(jī)理做進(jìn)一步的研究。

2017年，Kummitha等［129］在支板噴注的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室下壁面分別安裝了兩種新型激波發(fā)生器（見圖25），采用數(shù)值模擬的方法研究了入射激波對燃燒室燃料混合與燃燒過程的影響。結(jié)果顯示，激波發(fā)生器陣列誘導(dǎo)生成的入射激波與支板下游剪切層相互作用，縮短了點(diǎn)火延遲，進(jìn)而提升了燃料的燃燒效率，其中圓形激波發(fā)生器陣列的燃燒增強(qiáng)效果更加明顯。Huang等［58］研究了斜激波對支板下游剪切層的作用。結(jié)果顯示，支板下游剪切層在多激波作用下呈現(xiàn)出復(fù)雜變化，在斜激波作用的位置因氣流密度增加造成剪切層厚度減小，而在斜激波作用位置下游附近，由于渦度增強(qiáng)而導(dǎo)致剪切層厚度增加。

通過梳理總結(jié)，表4給出了激波/剪切層干擾的主要影響因素及研究結(jié)論。可以看出，激波/剪切層干擾混合增強(qiáng)方法的相關(guān)研究取得了一些成果，但距離實(shí)際工程應(yīng)用仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)，如減小激波/剪切層干擾帶來的總壓損失、激波發(fā)生器構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

4波形壁混合增強(qiáng)

由于燃料射流上游激波的形成對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料混合有很大幫助，因此，在橫向射流流場中也采用了正弦波形壁來增強(qiáng)混合。Gerdroodbary等［106］使用數(shù)值模擬的方法研究了超聲速自由來流中正弦波形壁對壁面單孔橫向射流燃料混合性能的影響。結(jié)果顯示，在正弦波形壁面振幅較大的情況下，來流馬赫數(shù)增加會使波形壁面附近回流區(qū)面積增大，進(jìn)而提高燃料混合效率。當(dāng)馬赫數(shù)從2增加到4時(shí)，燃料的混合效率提升了35%，圖26給出了不同來流馬赫數(shù)下的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。此外，正弦波形壁的影響隨著射流壓力的增加而減小，高射流壓力下燃料的動(dòng)量較大，因而導(dǎo)致分離激波對燃料射流的影響較小。

Manh等［105］研究了正弦波形壁振幅對壁面單孔橫向射流流場結(jié)構(gòu)和燃料混合的影響，結(jié)果表明，正弦波形壁會誘導(dǎo)生成弓形激波和分離激波，從而顯著改變?nèi)紵覂?nèi)的流場結(jié)構(gòu)，在射流上游采用高振幅正弦波形壁時(shí)將誘導(dǎo)生成強(qiáng)弓形激波，使射流穿透深度增加、回流區(qū)面積增大，進(jìn)而使燃料混合效率提升。Li等［104］重點(diǎn)研究了正弦波形壁頻率及射流壓力對壁面單孔橫向射流燃料混合的影響，通過比較不同頻率下射流穿透深度和混合效率等參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率足夠高時(shí)，正弦波形壁可以有效地提升燃料混合效率，頻率為1200Hz的正弦波形壁可以使混合速率提升25%以上。此外，隨著射流壓力的增加，正弦波形壁對燃料混合的影響減弱。

2020年，Li等［103］對位于上壁面的正弦波形壁對多孔橫向射流燃料混合的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示，射流上游的正弦波形壁誘導(dǎo)生成激波與射流流場的剪切層之間相互作用，從而提高了燃料混合效率；波形壁的振幅增加可以促進(jìn)燃料射流與自由來流的混合，使燃料分布更均勻，當(dāng)振幅從2mm增加到5mm時(shí)，混合效率增加約40%。圖27給出了不同振幅正弦波形壁工況下的馬赫數(shù)云圖。

Jiang等［102］關(guān)注于多孔氫氣射流下游正弦波形壁對燃料混合和分布產(chǎn)生的影響，對采用不同波形壁頻率及射流噴孔間距的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖28為流場的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。結(jié)果顯示，下游波形壁的存在增加了背壓并誘導(dǎo)生成壓縮激波，使射流法向動(dòng)量增加，從而提升了射流下游的燃料混合效率，然而由于射流在法向存在波動(dòng)，波形壁頻率增加會降低射流在下游的穿透深度，導(dǎo)致下游燃料分布受到較大限制。此外，增加射流噴孔間距可以改善多孔射流的混合性能。Ye等［107］針對橫向

氫氣射流下游存在平板振動(dòng)的情況進(jìn)行研究，對馬赫數(shù)為2.8的自由來流中不同振幅和頻率的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)討論了振幅和頻率對混合效率、燃燒效率、總壓損失系數(shù)和流場結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)平板振動(dòng)明顯改變了射流下游的激波結(jié)構(gòu)，提高了混合效率，但也增加了燃燒室的總壓損失系數(shù)。振動(dòng)頻率對總壓損失系數(shù)影響不大，而振幅對總壓損失系數(shù)有顯著影響，大振幅振動(dòng)增強(qiáng)了流場的不穩(wěn)定性，同時(shí)帶來較大的總壓損失。

Kummitha等［108］研究了一種帶有波形壁面的支板結(jié)構(gòu)（見圖29）對燃料混合效果的影響，圖30給出了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)常規(guī)支板與波形壁支板在不同來流馬赫數(shù)下的流場密度云圖。結(jié)果顯示，與常規(guī)支板相比，波形壁支板誘導(dǎo)生成了更多的斜激波，增強(qiáng)了支板下游剪切層與反射激波的相互作用，流場湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能的增加增強(qiáng)了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，進(jìn)而提升了激波/剪切層干擾下的燃料混合效率，但同時(shí)也產(chǎn)生了更多的總壓損失。此外，隨著來流馬赫數(shù)增加，支板下游反射激波與剪切層之間的相互作用減少。Kummitha等［109］在此基礎(chǔ)上又研究了帶有波形壁面的雙支板噴注器的工作性能，發(fā)現(xiàn)雙波形壁支板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了激波與剪切層的相互作用；同時(shí)，燃燒區(qū)域沿展向擴(kuò)展，其混合與燃燒效率分別提升了18%和20%。

波形壁作為近年來新發(fā)展的混合增強(qiáng)方法，目前仍處于數(shù)值模擬研究階段。表5給出了波形壁混合增強(qiáng)的主要影響因素及研究結(jié)論。

5結(jié)論

本文針對超聲速氣流中燃料混合增強(qiáng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了壁面橫向射流、凹腔、激波/剪切層干擾和波形壁混合增強(qiáng)四種典型方法的混合增強(qiáng)機(jī)理與研究進(jìn)展。結(jié)論如下：

（1）壁面橫向射流作為一種簡單高效的混合增強(qiáng)方式，其近場混合主要由迎風(fēng)剪切層內(nèi)的渦卷吸和尾跡內(nèi)的反向旋轉(zhuǎn)渦對主導(dǎo)。通常按噴孔數(shù)量將劃其分為單孔與多孔橫向射流，其中多孔橫向射流由于具有更優(yōu)的混合性能而受到了學(xué)者們更多的關(guān)注，對于多孔串/并聯(lián)燃料噴注與燃料/空氣混合噴注的流場結(jié)構(gòu)及混合機(jī)理研究均取得了較多成果，對其下一步的研究可以考慮燃料噴注陣列的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及實(shí)際的工程應(yīng)用問題。

（2）凹腔構(gòu)型簡單，穩(wěn)焰效果好，其混合特性主要由流場波系和凹腔剪切層決定，通過剪切層的對流和擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)凹腔內(nèi)部回流區(qū)與主流之間的質(zhì)量與動(dòng)量交換。在實(shí)際工程應(yīng)用中，凹腔通常作為火焰穩(wěn)定器與支板或橫向射流組合來提升燃燒室性能：支板耦合凹腔結(jié)構(gòu)有助于改善燃料空間分布，進(jìn)而提升燃料混合效率，但支板結(jié)構(gòu)本身也會帶來較大的總壓損失，其惡劣的熱環(huán)境也對熱防護(hù)技術(shù)提出了較高的要求；凹腔耦合射流的方式兼具了增強(qiáng)燃料混合與維持火焰穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也不會產(chǎn)生過高的總壓損失。常用的射流噴注方案主要有凹腔上游噴注與凹腔內(nèi)壁面噴注，燃料噴注位置的選擇影響著燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)與混合效率，存在凹腔與燃料噴注相對位置的優(yōu)化問題。此外，凹腔構(gòu)型同樣影響燃料的混合與燃燒過程，盡管常規(guī)凹腔構(gòu)型已得到了廣泛應(yīng)用，但常規(guī)凹腔在發(fā)動(dòng)機(jī)處于寬速域及高當(dāng)量比工作條件下也會產(chǎn)生如自激振蕩與熱負(fù)載過高等問題。后緣突擴(kuò)型凹腔作為一類具備更優(yōu)性能的新型凹腔逐漸成為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，未來可以繼續(xù)對后緣突擴(kuò)型凹腔的流動(dòng)、混合與穩(wěn)焰機(jī)理進(jìn)行深入研究。

（3）激波/剪切層干擾混合增強(qiáng)方法可以有效提升燃料混合效率，同時(shí)又具有較好的穩(wěn)焰效果，是一種理想的混合增強(qiáng)方式。其通過安裝在燃燒室內(nèi)流道上壁面的楔形激波發(fā)生器誘導(dǎo)生成入射激波與流場剪切層相互作用，使射流下游回流區(qū)的面積增大并延長了燃料的駐留時(shí)間。激波的入射位置和激波強(qiáng)度是影響混合的關(guān)鍵因素。當(dāng)入射激波作用于射流上游時(shí)，流場發(fā)生劇烈扭曲，但未影響到射流下游的混合燃燒過程。為實(shí)現(xiàn)更好的混合增強(qiáng)效果，需要對楔形激波發(fā)生器的形狀和位置進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其降低對射流上游干擾的同時(shí)誘導(dǎo)生成激波，擴(kuò)大射流下游分離區(qū)以增強(qiáng)混合。

（4）波形壁混合增強(qiáng)方法通過誘導(dǎo)生成入射激波與剪切層干擾進(jìn)行混合增強(qiáng)，能夠有效提升燃料穿透深度與混合效率，易于工程實(shí)現(xiàn)，具有較好的應(yīng)用前景。但目前對波形壁混合增強(qiáng)方法開展的相關(guān)研究較少，對于其混合增強(qiáng)機(jī)理的了解還不夠深入，且存在波形壁面構(gòu)型（振幅和頻率）的優(yōu)化問題，應(yīng)采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步的綜合研究，以評估波形壁混合增強(qiáng)技術(shù)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃料混合增強(qiáng)領(lǐng)域的作用。

（5）盡管目前在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃料混合增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)了較多的混合增強(qiáng)方式，但大部分方法仍處于理論與試驗(yàn)研究階段，在實(shí)際應(yīng)用中往往會出現(xiàn)各種問題，如總壓損失與阻力增加，以及額外熱防護(hù)需求等。這些問題都會對燃燒室設(shè)計(jì)與性能產(chǎn)生不利影響，從而限制了混合增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用。因此，選擇理想的混合增強(qiáng)方案，在增強(qiáng)燃料穿透混合的同時(shí)又不會帶來較高的總壓損失，成為當(dāng)前領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題，組合式的混合增強(qiáng)方案將是未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

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ResearchProgressonFuelMixingEnhancementTechnologyofScramjet

TangHaoran，ShenChibing*，DuZhaobo，HanYi，LiuMiaoe

（ScienceandTechnologyonScramjetLaboratory，CollegeofAerospaceScienceandEngineering，

NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）

Abstract：Withthedevelopmentofscramjettechnology，efficientmixingandcombustionoffuelincombustionchamberhasbecomearesearchhotspot.TheresidencetimeoffuelinthecombustionchamberisextremelyshortunderhighMachnumberflightconditions，andthemixingprocesshasanimportantimpactontheheatreleaseoffuelandincomingflow.Therefore，ahigh-efficiencyfuelinjectionschemeisneeded，andavarietyofmixingenhancementapproacheshavebeenproposedandstudied.Inthispaper，theresearchprogressofmixingenhancementapproaches，suchastransverseinjection，cavity，shock/shearlayerinteractionandwavywall，arereviewed，andthemechanismandcharacteristicsofvariousmixingenhancementapproachesaresummarized.Finally，thefutureresearchdirectionsofmixingenhancementtechnologyisprospected.

Keywords：

scramjet；mixingenhancement；transverseinjection；cavity；incidentshockwave；wavywall

收稿日期：2022-04-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12072367）;湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022JJ4666）;湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20210023）

作者簡介：唐浩然（1993-），男，山東淄博人，碩士研究生。

*通信作者：沈赤兵（1968-），男，湖南常德人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。