王文龍　蔡子林　馬岑睿　王宏宇

摘要：燃料的摻混增強技術(shù)是現(xiàn)代超燃沖壓發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)， 針對如何使燃料充分摻混， 研究人員發(fā)展了多種摻混增強方法， 主要分為主動式和被動式兩類。 主動式摻混增強技術(shù)是依靠大尺度的自激勵來提高燃料的摻混程度， 因其易于控制、 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點逐漸受到研究人員的青睞。 本文針對三種主動式摻混增強技術(shù)： 等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)、 波形/粗糙壁擾流技術(shù)和脈沖射流擾流技術(shù)進行了討論， 介紹了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景， 并對未來的發(fā)展趨勢進行了合理的展望， 為未來超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)燃料摻混增強技術(shù)的進一步優(yōu)化發(fā)展提供了思路。

關(guān)鍵詞：超燃沖壓發(fā)動機； 摻混增強； 等離子體能量沉積； 波形/粗糙壁擾流； 脈沖射流擾流

中圖分類號： TJ760; V436文獻標識碼：A文章編號： 1673-5048（2023）03-0112-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0161

0引言

作為未來高超聲速飛行器的理想推進裝置， 超燃沖壓發(fā)動機在航天航空領(lǐng)域中備受矚目， 由于可以在攀升過程中從大氣里獲得氧氣， 所以無需攜帶氧化劑， 在消耗相同質(zhì)量燃料的條件下， 超燃沖壓發(fā)動機可以產(chǎn)生4倍于火箭的推力。 在使用碳氫燃料時， 裝備超燃沖壓發(fā)動機的飛行器飛行速度一般在8馬赫數(shù)以下， 當其攜帶液氫燃料時可以使飛行器的飛行速度達到6～25馬赫數(shù)。 因為具有結(jié)構(gòu)簡單、 質(zhì)量輕便、 高馬赫數(shù)飛行時比沖大的特點， 其在巡航導(dǎo)彈、 高超聲速飛行器等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景［1］。 在正常工作狀態(tài)下， 超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)流道中氣流的駐留時間為毫秒級［2］， 如何保證發(fā)動機在如此短的時間內(nèi)完成燃料摻混、 點火并實現(xiàn)高效穩(wěn)定的燃燒， 是一個困惑科研人員已久的難題。 因此， 增強燃料高效快速的摻混是超燃沖壓發(fā)動機研制過程中面臨的重要問題［3-7］。

燃料摻混增強技術(shù)按照其作用方式可劃分為主動式和被動式兩類［8］。 常見的被動式摻混增強技術(shù)有凹腔、 斜坡、 支板、 臺階等， 原理一般是通過產(chǎn)生的流向渦、 回流渦等促進燃料摻混； 而主動式摻混增強技術(shù)有脈沖射流、 FLIP-FLOP噴嘴、 聲學激勵等， 原理一般是采用大尺度外加激勵來促進燃料摻混。 目前一些常見的主動和被動摻混技術(shù)中， 主動式摻混增強技術(shù)因為其易于控制和摻混效果良好正逐漸受到研究人員的青睞。 近些年來， 隨著對主動摻混增強技術(shù)研究的深入， 一些有代表性的主動摻混方法進入了研究人員的視野： 如等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)、 波形/粗糙壁擾流技術(shù)、 脈沖射流擾流技術(shù)。 本文介紹了這三種前沿技術(shù)的研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外最新的研究進展， 并結(jié)合實際對未來的發(fā)展前景做出了合理的展望， 最后對各種方式的優(yōu)缺點進行了總結(jié)。

1等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)

等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)是一種有能量注入的主動控制技術(shù)［9］， 其原理在于利用等離子體放電誘導(dǎo)的力/熱擾動對流動加以控制。 等離子體能量沉積的響應(yīng)時間一般不超過1 ms， 頻率可低至10-2? Hz， 而最大可到102? kHz量級的范圍； 激勵器的結(jié)構(gòu)相對簡單， 易于安裝和大范圍布置， 不容易引起初始的氣動型面的劇變， 且易于掌控［10］。 等離子體流動控制研究在國際社會上引起重視已久， 2009年， 以等離子體氣動激勵為代表的主動流動控制技術(shù)被美國航空航天學會（AIAA）列為10項航空航天前沿技術(shù)的第5項。 國外的等離子體流動控制研究已經(jīng)開展了幾十年之久， 最早由美國于20世紀60年代開始研究， 相較于國內(nèi)有豐富的經(jīng)驗， 其早期的研究主要針對高超聲速飛行器阻力， 而近十多年來， 在亞聲速等離子體流動控制方面的研究逐漸增多［11-12］。 國內(nèi)作為后期之秀， 也取得了一定的研究成果。 文獻［11］對現(xiàn)有的幾類等離子體激勵器進行了歸納總結(jié)；文獻［13-14］通過一系列研究等離子體流動控制的實驗和模擬初步揭示了等離子體體積力的作用機理， 為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)； 文獻［15］將等離子體激勵器沿軸向放置來產(chǎn)生周向旋流， 從而獲得了機械式旋流器的效果并取得較好控制性。 本文所提及的等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)也是在高速流動控制中一種備受關(guān)注的方法， 該方法是利用微/納秒時間尺度的氣體放電極速放熱所形成的局部力、 熱沖擊， 通過流場輸運的動量和能量給流場施加非定常擾動， 具有響應(yīng)時間短、 強度大、 頻度寬等特點， 并可根據(jù)來流條件的變化調(diào)整工作狀態(tài)， 在高速流動控制方面有一定的優(yōu)勢［16-18］。

1.1等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)研究進展

由于等離子體能量沉積激勵器不侵入流場， 可彌補物理裝置帶來的阻力和總壓損失大的技術(shù)缺陷， 有研究者考慮將其作為增強燃料摻混的輔助手段， 并探索了摻混增強機理。 20世紀60年代中期， 通過聚焦激光束達到高輻射能量密度來實現(xiàn)氣體擊穿的方法被發(fā)現(xiàn)［19-20］， Adelgren 等［21］實現(xiàn)了脈沖激光能量沉積； Yan等［22］通過實驗， 給出了脈沖能量為145 mJ、 脈寬為10 ns的遠程微波能量沉積經(jīng)過20 μs后的溫度和壓力等值線分布， 如圖1～2所示。

2006年， Leonov等［23］通過實驗證明了電弧能量沉積產(chǎn)生的極速湍流膨脹效應(yīng)（如圖3所示）對非預(yù)混多組分流動的摻混具有促進作用。 2017年， Leonov等［24］研究了準直流放電對超聲速燃燒室直接射流氣體燃料（H2和C2H4）的點火和火焰保持效應(yīng)， 嘗試了不同的壓力、 燃料質(zhì)量流量、 幾何構(gòu)型和放電功率。 實驗證明氫的燃燒和火焰保持是通過等離子體射流模塊（PIM）的H2+C2H4聯(lián)合噴射。 2018年， Leonov等［25］通過凹腔和等直流放電器對超燃沖壓發(fā)動機摻混效果的實驗， 發(fā)現(xiàn)由等離子體引起的激波對凹腔上方的剪切層有兩方面的影響： 一是增強了混合； 二是增加了空腔內(nèi)的壓力， 導(dǎo)致了流動結(jié)構(gòu)的改變。

Samimy［26］設(shè)計了一種面向高速內(nèi)流控制的等離子體能量沉積裝置， 并論述了其在摻混增強方面的作用， 如圖4所示。

嚴紅等［27-29］通過LES模擬研究脈沖能量沉積在圓管自由射流摻混中的控制效果等一系列仿真和實驗， 證明了在一定激勵頻率下脈沖能量沉積能夠有效促進射流剪切層大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)展， 并發(fā)現(xiàn)當能量沉積位于射流上方時， 更有利于射流剪切層大尺度渦結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展， 從而實現(xiàn)更好的摻混， 如圖5所示。

Ombrello等［30］通過實驗研究了瞬態(tài)高壓、 高溫、 高速爆轟脈沖在M2射流中的摻混增強作用， 利用高幀率影像和平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了爆轟羽流與超聲速流動的相互作用。 結(jié)果表明， 爆轟脈沖發(fā)生器在某一距離時會使摻混效果最好。

Rogg等［31］對重復(fù)激光火花激勵法在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的摻混增強效應(yīng)進行了數(shù)值研究， 研究了單個激光火花對摻混的影響與重復(fù)激光火花影響的區(qū)別。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 重復(fù)的激光火花比單一的激光火花更能增強摻混效果。 主要的摻混增強途徑來自于火花激勵引起的混合體積的增加。

Zheltovodov等［32］基于歐拉方程的數(shù)值模擬證明了脈沖能量沉積可以提高強超聲速氣流與低密度超聲速同向射流之間的摻混效果。 在最新的研究成果中， Liu等［33］通過求解三維非定常流動的雷諾平均N-S方程， 在空間和時間上研究了脈沖能量沉積對超聲速圓射流混合增強的機理。 結(jié)果表明， 射流內(nèi)部的能量沉積對射流摻混的促進作用要比之前射流上方的能量沉積更有效。 射流摻混效果的增強主要是通過能量沉積區(qū)與斜激波相互作用引發(fā)的大尺度渦來實現(xiàn)的。

1.2等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)的未來研究趨勢和發(fā)展前景

近年來， 在主動控制技術(shù)的等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)方面， 脈沖電弧放電和等離子體合成射流激勵器呈現(xiàn)出高強度、 寬頻帶的特征， 在 STBLI（激波/湍流邊界層干擾）的控制中受到了重點關(guān)注［34-37］， 但在實際運用方面還需要摸索。 目前的超燃沖壓發(fā)動機主要以工作馬赫數(shù)范圍較窄的彈用尺寸為主， 比如美國 X-51A“乘波者”高超聲速飛行器， 只實現(xiàn)了使用的馬赫數(shù)為4.8～5.1范圍的飛行驗證， 而該飛行器的設(shè)計飛行馬赫數(shù)在6～6.5之間， 根本無法滿足需求［38］。 所以寬域、 火焰穩(wěn)定等技術(shù)需求亟待在未來的超燃沖壓發(fā)動機上實現(xiàn)。

針對上述問題， 國外提出了利用等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)促進超聲速橫向射流摻混的科學構(gòu)想， 比如通過等離子體能量沉積的“誘導(dǎo)流向渦”和“湍流膨脹效應(yīng)”之類的效應(yīng)及其與橫向射流誘導(dǎo)的 STBLI 相互作用的方式來提升橫向射流的摻混效率。 發(fā)展使用高頻脈沖放電等離子能量沉積摻混增強的新方法并研究這些效應(yīng)如何相互作用來增強橫向射流摻混的機理成為了未來十分有用的研究方向， 目前有一些可能有利于摻混的猜想， 如圖6所示。

而對于等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)的數(shù)學物理模型建立和仿真方法方面， 還存在重重困難［10］。 在高馬赫數(shù)和高雷諾數(shù)下的RANS 方法對于模擬該類激勵過程， 精度遠遠不及LES模擬， 而LES模擬計算需要漫長的周期和巨大的花費， 這是一個難以避免問題； 未來需要基于多物理場耦合的數(shù)值模擬結(jié)果以及具有更高空間與時間精度的實驗數(shù)據(jù)來建立更高精度的數(shù)學模型， 這些問題都亟待解決。

2波形/粗糙壁擾流技術(shù)

波形/粗糙壁擾流技術(shù)在超聲速混合增強方面的研究是近幾年才興起的。 其本質(zhì)是激波發(fā)生器， 大量的實驗和計算研究證實了燃燒室中的激波發(fā)生器可以有效地提高燃料的摻混效率［39-44］。 其主要原理為： 由高超聲速來流流過波形壁的表面波產(chǎn)生的激波與射流相互作用， 從而引起流場的變化而導(dǎo)致其摻混作用的增強。 原理圖如圖7所示。 作為一種新興的主動混合增強技術(shù)， 其在未來的應(yīng)用方面十分有前景。

2.1波形/粗糙壁擾流技術(shù)研究進展

波形/粗糙壁擾流技術(shù)在高超聲速流動方面的運用與粗糙表面的STBLI息息相關(guān)， 然而根據(jù)現(xiàn)有資料［45］， 關(guān)于粗糙面的STBLI研究少之又少。 研究者都觀察到了粗糙表面對流動顯著的影響， Disimile［46］通過對一逆壓梯度作用下粗糙表面的可壓縮湍流邊界層特性進行研究， 觀察到流動的分離因為粗糙度而擴大， 這證明了粗糙度對流動的影響， 哪怕是低粗糙度也能增強粗糙面STBLI分離［47］。

2018年， Rahman等［48］對受到斜激波撞擊的在平面上變化的湍流邊界層進行了數(shù)值計算， 采用SST k-ω模型進行三維雷諾平均N-S （RANS）穩(wěn)態(tài)模擬， 在部分壁面中構(gòu)造波形壁面， 研究其對激波湍流邊界層的影響， 發(fā)現(xiàn)波形面的頻率比波長對平均流量有更重要的影響。

2019年， Gerdroodbary等［49］研究了上游波形壁對氫燃料射流混合效率的影響， 通過CFD數(shù)值模擬研究了幾組不同波長和頻率的波形壁在不同來流馬赫數(shù)下?lián)交煨实淖兓?結(jié)果表明， 相同條件下， 當來流馬赫數(shù)從2增加到4時， 燃料的混合效率有顯著增強。 正弦波形壁振幅增大或者馬赫數(shù)增大時， 射流上游的回流區(qū)明顯增大， 如圖8所示， 這是混合增強的原因之一。

Manh等［50］采用同樣的數(shù)值方法模擬了上游波形壁對噴油器下游氫橫向射流分布的影響。 結(jié)果表明， 正弦波可以極大地改變超聲速燃燒室內(nèi)的流動特征， 并且回流區(qū)也出現(xiàn)了正弦壁和超聲速來流相互作用而產(chǎn)生了兩種激波： 弓形激波和分離激波， 而高振幅的波形壁誘導(dǎo)產(chǎn)生的弓形激波顯著提高了混合效率。 Li等［51］進一步采用數(shù)值模擬的方法研究了上游正弦波形壁的頻率對氫氣橫向射流的影響， 發(fā)現(xiàn)當正弦波形壁的頻率足夠高時， 混合速率顯著增加——頻率為1 200 Hz的正弦波形壁可以使混合效率大約增加25%以上。 2019年， Li等［52］將正弦波形壁安置在射流上游燃燒室上壁面并使用了多孔射流技術(shù)， 研究后發(fā)現(xiàn)， 正弦波形壁增加了超燃沖壓發(fā)動機氫氣的混合效率。 此外， 正弦波形壁增幅的增大也有利于燃燒室內(nèi)燃油射流與超聲速主流的混合（如圖9所示）， 同時還發(fā)現(xiàn)了誘導(dǎo)激波強度增加對燃料摻混也有顯著的促進作用。

2021年， Jiang等［53］研究了多個射流孔下游正弦波形壁作用下多氫射流的混合與分布， 利用SST湍流模型對馬赫數(shù)為4的多孔氫射流進行了數(shù)值模擬。 研究結(jié)果表明， 增加下游波壁的頻率可以極大地影響燃油在下游的分布。 最后得到的結(jié)果清楚地顯示， 下游波壁通過背壓和壓縮波增加了射流的法向動量， 改善了射流下游的燃油混合。 但是這種效應(yīng)僅限于正弦波區(qū)頂部的局部區(qū)域， 同時也發(fā)現(xiàn)波形壁在噴孔下游的情況中過大的頻率會影響摻混效果， 這是由于靠近末噴流的波壁將末噴流推向上游， 限制了末噴流的擴張。 Tong等［45］對30°斜激波與超高聲速湍流邊界層的相互作用采用DNS方法進行了模擬， 研究了其在有波形壁面上的相互作用， 并與相同流動條件下只有平壁面的數(shù)值進行了比較。 通過系統(tǒng)研究波形壁對流場流動、 表面摩擦、 壓力和湍流動能的影響和湍流動能分析表明， 在近壁面區(qū)域， 流場的擴散和輸運均顯著增加， 而耗散在近壁面區(qū)域也會增大。 波形壁的存在明顯地改變了近壁區(qū)域的流場， 但對外層的影響不大， 圖10（a）～（b）分別為平面壁和波形壁的湍動能云圖， 粉色實線和灰色虛線分別代表平均聲波線和分離流線。 根據(jù)研究成果可以發(fā)現(xiàn)， 波形壁對摻混效果的影響與其來流馬赫數(shù)、 波形振幅、 頻率以及其分布位置有關(guān)。

2.2波形/粗糙壁擾流技術(shù)未來研究趨勢和發(fā)展前景

波形/粗糙壁擾流技術(shù)作為一種新興的主動摻混方式， 其優(yōu)點不僅在于成本低、 摻混效果好、 易于控制， 更在于易于維護。 但由于是新興的摻混方式， 故其還需要進一步研究。 目前， 有研究人員將波形壁與一些被動式摻混方式結(jié)合在一起， 利用多噴孔噴射系統(tǒng)增強了燃燒室內(nèi)的燃料混合和滲透。

波形/粗糙壁擾流技術(shù)的運用一般和壁面多孔橫向射流技術(shù)結(jié)合在一起。? 與單孔橫向射流技術(shù)對比， 雙孔

橫向射流技術(shù)具有混合效率大、 燃料穿透深度大等優(yōu)勢， 其下游噴孔射流所產(chǎn)生的馬赫盤比上游噴孔所產(chǎn)生的馬赫盤位于更高的位置， 且其尺寸更大［54］， 上游射流有效阻擋了來流對下游射流的沖擊， 一定程度上促進了燃料摻混的增強， 其機理如圖11所示。

在波形壁和多孔射流結(jié)合方面， 發(fā)現(xiàn)隨著多孔射流數(shù)的增大， 射流面積也隨之增大， 射流空間的增大加劇了噴氣出口內(nèi)部小環(huán)流的形成， 從而增強了燃油的分布。 波形壁和多孔射流的結(jié)合有效提高了摻混效率， 未來波形壁和多孔射流的結(jié)合方式為超燃沖壓發(fā)動機的研制提供了新的思路。

對波形壁的研究不僅可以用于波形壁面， 由于波形壁增加摻混的原理是通過激波作用于流場， 有相關(guān)研究人員利用波形表面的不規(guī)則和粗糙的特征， 將其運用到其他摻混控制方式上去。 Kummitha等［55-56］對一種波形支板噴油器（如圖12所示）進行流場仿真， 發(fā)現(xiàn)采用波形支管噴油器后， 斜激波數(shù)量增加， 波形面的設(shè)計提高了湍流度從而導(dǎo)致了混合的增強， 通過分析得出其對空氣和燃油的摻混有明顯增強作用。

波形/粗糙壁擾流技術(shù)是未來理想摻混增強方式， 但是其目前的研究僅停留在數(shù)值仿真階段， 未來還需開展地面風洞試驗進行深度研究， 和仿真結(jié)果進行對比和改進。 同時， 波形壁和其他被動摻混方式比如多孔射流的方法進行結(jié)合也可以很大程度地提高摻混效率， 但這方面的研究少之又少， 要實現(xiàn)應(yīng)用， 未來還有很長的一段路需要走。

3脈沖射流擾流技術(shù)

脈沖射流擾流技術(shù)的作用對象和前兩種摻混方式有一定區(qū)別， 這種技術(shù)是通過對射流施加激勵來對流場造成擾動以達到改善摻混效果。 該技術(shù)最早要始于FLIP-FLOP噴嘴， FLIP-FLOP噴嘴這個概念是20世紀60年代的研究產(chǎn)物， Viets［57］將這個概念應(yīng)用到噴管上用來獲得推力矢量。 根據(jù)選定的幾何形狀， 噴嘴可以在任何頻率下以任何方向振蕩， 可以利用聲激勵來控制振蕩的相位， 當其像Hartmann-Sprenger 管一樣施加縱向壓力時， 出口的空氣流動方向可以被任意控制。 這種噴管被認為是一種不需要任何運動部件就能產(chǎn)生振蕩射流的射流裝置。 其基本構(gòu)型主要由主噴管、 腔室、 連接管和控制端口組成， 示意圖如圖13所示。

脈沖射流可以說是FLIP-FLOP噴嘴的延續(xù)， 最早的研究是在20世紀90年代初， Randolph等［59］表明， 低頻脈沖（1 Hz）的氦在馬赫數(shù) 2.5的橫向射流中的穿透深度比相同動量通量值的穩(wěn)定射流平均深12%。 在低速不可壓的射流實驗中， 射流在噴嘴出口處由于與周圍環(huán)境存在速度梯度而形成剪切層， 導(dǎo)致產(chǎn)生剪切渦， 剪切渦會促進射流向周圍環(huán)境擴散， 這可能是脈沖射流的作用原理之一。 橫向脈沖射流對于穿透深度和混合的影響可以歸納為三點： 一是脈沖射流可以誘發(fā)更大的起始渦環(huán)， 有利于促進燃料摻混； 二是在脈沖射流頻率較高的條件下， 相鄰渦環(huán)間會發(fā)生提高穿透深度并促進混合的相互作用； 三是可以在固定射流質(zhì)量流量的條件下提高能直接決定射流-來流動壓比的噴注壓降。 鑒于上述三點優(yōu)勢， 未來有很大的發(fā)展空間。

3.1脈沖射流擾流研究現(xiàn)狀

Kato等［60］發(fā)現(xiàn)當射流速度處于動態(tài)變化的條件下時， 在噴嘴出口處誘發(fā)的更大尺寸的渦環(huán)將會加快摻混速度； Raman等［61］采用壓阻式壓力傳感器和皮托管探頭等設(shè)備對FLIP-FLOP噴嘴的射流進行了非定常速度和壓力測量， 利用高速攝影的煙流可視化技術(shù)記錄了射流的振蕩， 如圖14所示。 同時， 將適用范圍從原來的低聲速拓展到了高聲速。

Johari等［62］研究了橫向脈沖射流中穿透深度和混合方面的關(guān)系， 這實際上取決于靠近噴嘴處的渦旋作用； 其還研究了占空比對脈沖射流的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 在固定的噴注時間內(nèi)， 增加占空比可以減少噴射穿透。 短噴注時間脈沖射流的稀釋和混合也比穩(wěn)定射流得到改善， 對于分離效果較好且噴注時間較短的脈沖， 混合效率的最大增幅約為50%。 隨后， Johari等［63］提出一種基于射流脈沖沖程比和脈沖占空比的全脈沖射流分類方案， 并給出噴嘴附近和遠場內(nèi)流動結(jié)構(gòu)相互作用的判據(jù)。 Mi等［64］使用冷絲探針對噴管的擾動射流和非擾動自由射流進行溫度測量， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 擾動射流對比非擾動射流而言， 其周圍流體的混合速率更高； 該研究同時表明， 擾動射流的斯特羅哈爾數(shù)對射流混合有顯著影響： 在高斯特羅哈爾數(shù)時， 混合性能較好。 Bender等［65］通過實驗和數(shù)值模擬表明， 正弦脈沖空氣射流確實改善了穩(wěn)定不可壓縮流的穿透效果。 Eroglu等［66］通過化學反應(yīng)激光誘導(dǎo)熒光實驗， 研究了周期性擾動對橫向射流結(jié)構(gòu)和摻混的影響， 證實了在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下渦環(huán)的產(chǎn)生過程： 在低頻脈動條件下采用方波形式脈沖的渦環(huán)比穩(wěn)定射流穿透更深。 Koso等［67］通過測量整體平均速度和壓力， 研究了噴管擴壓器通道喉道寬度對射流振蕩的影響。 結(jié)果表明， 隨著喉道寬度的減小， 振蕩頻率略有增加， 當喉道寬度小于一定寬度時， 振蕩最終停止。 2007年， Naruse等［68］提出了一種新型FLIP-FLOP噴嘴， 其由主噴管出口、 側(cè)壁和目標體組成， 然后通過實驗證明了其效用性， 即簡單地利用滑動側(cè)壁控制射流方向和振蕩頻率。 實驗結(jié)果表明存在兩種射流振蕩現(xiàn)象， 一種出現(xiàn)在側(cè)壁長度較短時， 另一種出現(xiàn)在側(cè)壁長度較長時。 其裝置示意圖如圖15所示。

Kouchi等［69］進行了實驗和二維RANS數(shù)值模擬。 實驗結(jié)果顯示， 對于一定的注射壓力， 脈沖射流在注射壓力上升階段的穿透比在注射壓力下降階段的要高， 脈沖射流在噴嘴附近的渦強度大于穩(wěn)態(tài)射流； 數(shù)值模擬顯示， 脈沖頻率的過度變化會影響射流流場趨于定常射流狀態(tài)， 在最佳脈沖射流頻率10 kHz的條件下， 射流穿透深度相較于原來可以提高大約60%。 Cutler等［70］研制了一種新型高速高頻脈沖射流噴注器， 其頻率可達13 kHz； 同時， 研究了聲速的氦氣脈沖噴注進入超聲速氣流時的噴注效果。 結(jié)果表明， 隨著脈動和氦穿透深度的增加， 平均羽流橫截面尺寸適度減小。 Williams等［71］利用FLUENT建立了冷流數(shù)值模型， 研究頻率為8 kHz， 16 kHz， 24 kHz和32 kHz時的脈沖射流， 發(fā)現(xiàn)當16 kHz時氫射流對超聲速氣流的穿透作用最大， 摻混效果最好， 部分馬赫數(shù)等高線如圖16所示。

Yang等［72］研究了低流速情況下射入靜態(tài)空氣中的脈沖液體射流的破碎情況， 發(fā)現(xiàn)射流在低頻處表現(xiàn)出強響應(yīng)， 在高頻處表現(xiàn)出相應(yīng)的弱響應(yīng)。 Kento等［73］采用CFD數(shù)值模擬的方法對FLIP-FLOP噴嘴的射流進行了仿真模擬， 從一個近似的動量方程出發(fā)， 導(dǎo)出了橫隔板的工作振幅與頻率的關(guān)系， 而后通過對Re=100時的振蕩射流進行數(shù)值模擬來驗證這個關(guān)系。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)當膜片的工作速度滿足所提出的關(guān)系時， 射流振動與膜片振動同步。 雖然上述研究人員對FLIP-FLOP噴嘴有了一定的研究， 但對其振蕩機理尚未完全理解。 對此Inoue等［74］在對連接管和噴管內(nèi)部壓力和速度測量的基礎(chǔ)上， 研究了噴管的振動機理， 先引入壓力對時間的積分作為累積流動功， 以單端口控制實驗作為對照， 發(fā)現(xiàn)累積的流動功足以決定射流振蕩的主導(dǎo)頻率。 2019年， Chen等［75］使用RANS方法數(shù)值模擬了HyShot Ⅱ型超燃沖壓發(fā)動機二維和三維狀態(tài)下的氫氣燃料脈沖射流流場。 研究發(fā)現(xiàn)， 在脈沖燃料噴射過程中， 由于總壓脈沖導(dǎo)致噴油器內(nèi)部形成了復(fù)雜的波結(jié)構(gòu)， 這些波導(dǎo)致了燃油流的波形分布。 雖然無法直接證明脈沖噴射會增加燃料穿透深度， 但卻觀察到很高的湍動能水平。 隨著區(qū)域湍動能的增加， 脈沖燃料噴射摻混效率提高了30%左右， 同時， 脈沖頻率也對湍動能有一定影響， 如圖17所示。

Zhao等［76］采用基于SST湍流模型的URANS模擬方法， 研究了超聲速橫流中脈沖頻率和振幅對射流流場和摻混效果的影響。 在考慮射流激勵頻率影響的情況下， 50 kHz的脈沖頻率存在最佳摻混效果， 氫在遠場下游的最大質(zhì)量分數(shù)的衰減率與脈沖射流的頻率有關(guān)； 此外， 總壓恢復(fù)系數(shù)受脈沖頻率和振幅的影響較小。 孫永鵬［77］利用RANS研究了對空氣射流施加激勵對流場結(jié)構(gòu)以及燃料混合性能的影響， 發(fā)現(xiàn)脈沖頻率為50 kHz時， 對燃料／空氣的摻混效果最好， 這驗證了之前文獻［76］的研究。 隨后， Zhao等［78］又采用大渦模擬方法， 研究了10°角下超聲速橫流中頻率最佳的脈沖射流強化混合燃燒機理： 在脈沖射流中存在順時針旋轉(zhuǎn)剪切層渦結(jié)構(gòu)和逆時針旋轉(zhuǎn)剪切層渦結(jié)構(gòu)， 而在穩(wěn)定射流中只存在一種逆時針旋轉(zhuǎn)剪切層渦結(jié)構(gòu)， 而這些不同尺度的結(jié)構(gòu)對混合過程和火焰分布有顯著影響； 同時， 發(fā)現(xiàn)最佳脈沖射流頻率為40 kHz。 為了進一步驗證這一理論， 在脈沖射流頻率為40 kHz的條件下進行了URANS模擬， 發(fā)現(xiàn)摻混和燃燒效率獲得進一步提高。

2021年， Hirata等［79］在壓力和速度測量的基礎(chǔ)上， 研究了帶有一個反饋回路的經(jīng)典FLIP-FLOP噴嘴的振蕩頻率。 研究者用三角波模擬了連接管兩端壓差的軌跡， 并對連接管內(nèi)的流速進行了計算， 發(fā)現(xiàn)基于此得到的累積流動功預(yù)測的射流振蕩頻率與實驗結(jié)果吻合較好。 Sasongko等［80］在開環(huán)風洞實驗中， 研究了后傾角對脈沖射流橫流流動和射流色散特性的影響， 發(fā)現(xiàn)較小的射流后傾角會導(dǎo)致射流擴散和橫向射流擴展寬度的增大， 在射流后傾角為20°時， 射流擴散指數(shù)和橫向射流擴展寬度達到最大值， 在射流后傾角小于20°的位置設(shè)置射流后傾角可使脈沖射流在橫流中的擴散增加。

3.2新型射流組織與噴注技術(shù)

關(guān)于未來FLIP-FLOP噴嘴的發(fā)展前景， 目前來說主要有兩個方面： 第一是射流振蕩機理的補充完善； 第二是在實際應(yīng)用中仍然有一定的發(fā)展空間。

對于其射流振蕩機理， 研究人員目前尚未完全理解。 射流振蕩的頻率f主要取決于連接管的長度、 體積、 流量、 噴嘴的幾何形狀等參數(shù)， 然而， 根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗公式仍然存在較大的誤差。 阻礙精確數(shù)學模型建立的主要因素之一是FLIP-FLOP噴嘴內(nèi)部流動的時間和空間復(fù)雜性， 例如， 準穩(wěn)態(tài)方法不適用于非常低的主導(dǎo)頻率， 而動量理論方法很難設(shè)置控制體積。 對此， 未來需要采取更有效的方法來更深一步研究FLIP-FLOP噴嘴的射流振蕩機理。

而對于脈沖射流在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室燃料摻混方面的應(yīng)用， 在實際中還尚在起步階段， 目前針對脈沖射流的研究大都是采用數(shù)值模擬進行的， 在實物實驗方面的研究還有一定欠缺， 未來還有很大的發(fā)展空間。

脈沖射流中波形以正弦變化是比較好的方式， 脈沖的頻率在特定工況下具有最優(yōu)值， 但是這與射流條件等因素有關(guān)。 脈沖頻率的選擇是一個需要考慮的問題， 目前并未找到頻率和流場之間的內(nèi)在聯(lián)系， 而且實驗的壓力變化相較與仿真壓力變化具有滯后性。 所以未來可以將實驗和仿真相結(jié)合， 建立比較完善的頻率選擇法則。

4總結(jié)與思考

本文介紹了等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)、 波形/粗糙壁擾流技術(shù)、 脈沖射流擾流技術(shù)三種新型主動式摻混增強技術(shù)的研究進展和發(fā)展前景， 得出了以下結(jié)論：

（1） 等離子體能量沉積輔助摻混技術(shù)是一種利用激勵器產(chǎn)生等離子體誘導(dǎo)射流對流體的流動加以控制的主動式摻混技術(shù)， 其最大的特點就是可以在不侵入流場的情況下利用極小的時間尺度通過氣體放電極速放熱給流場施加非定常擾動。 其優(yōu)點十分顯著， 即易于控制， 反應(yīng)快。 但對于其摻混效果的機理還有待研究， 未來可以使用多個激勵器對流場施加全方位擾動， 探究多個激勵器對流場擾動的影響。

（2） 波形/粗糙壁擾流技術(shù)是一種通過高超聲速來流流過波形壁的表面波產(chǎn)生的激波與射流相互作用從而引起流場的變化而導(dǎo)致其摻混作用增強的主動式摻混技術(shù)， 是通過改變內(nèi)流道壁面的粗糙度進而通過激波對射流進行作用來改變摻混效果。 其結(jié)構(gòu)簡單， 摻混效果良好， 但目前研究尚在起步階段， 缺乏實驗驗證， 且對這項技術(shù)的研究并不全面。 未來可以利用多孔射流等技術(shù)與之進行結(jié)合來提升摻混效果， 同時也可以利用波形結(jié)構(gòu)粗糙不平的特點作用于類似支板一類的其他結(jié)構(gòu)上以提高摻混效果。

（3） 脈沖射流擾流技術(shù)主要介紹了FLIP-FLOP噴嘴和脈沖射流技術(shù)。 其是通過橫剪切渦促進射流向周圍環(huán)境擴散的主動式摻混增強技術(shù)， 優(yōu)點在于摻混效果好， 易于控制。 但是弊端也很明顯， 比如FLIP-FLOP噴嘴結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 同時射流振蕩機理尚不明確， 需要進一步研究。 脈沖射流的脈沖頻率選擇是一個需要考慮的問題， 但目前并未找到頻率和流場之間的內(nèi)在聯(lián)系， 難以選擇最佳頻率。 對FLIP-FLOP噴嘴來說， 未來的發(fā)展前途第一是射流振蕩機理的補充完善， 第二是在燃燒室中的實際應(yīng)用。 而對于脈沖射流， 一是在實物實驗方面需要加深研究， 二是要建立比較完善的頻率選擇法則來選擇最佳頻率。

（4） 雖然本文所介紹的方法仍處于理論與實驗研究階段， 且這些問題都會對設(shè)計產(chǎn)生不利影響或者加大實現(xiàn)難度， 目前還難以完全應(yīng)用， 但隨著時代的進一步發(fā)展， 超燃沖壓發(fā)動機的技術(shù)愈發(fā)趨近于成熟， 新一代高超聲速飛行器對燃料的摻混提出了更高的要求， 主動式摻混增強技術(shù)作為未來理想的摻混方法， 不僅可以很好地減輕發(fā)動機重量和內(nèi)部阻力， 更可以誘導(dǎo)產(chǎn)生更多流向渦對和激波系來形成規(guī)模龐大的低速回流區(qū)， 在高速來流的條件下更好地使燃料和空氣摻混。 同時， 可以與被動摻混方式進行有機結(jié)合， 對新一代高超聲速超燃沖壓發(fā)動機提供有力的支持。

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Summary of Active Mixing Enhancement Technology for Scramjet

Wang Wenlong1， Gai Zilin1， Ma Cenrui1， Wang Hongyu2

（1. Air and Missile Defense College， Air Force Engineering University， Xian 710051， China;

2. Institute of Ultra High Speed Aerodynamics， China Aerodynamics Research and

Development Center， Mianyang 621000， China）

Abstract： Fuel mixing and enhancement is the key technology of modern scramjet engine. In view of the problem of how to fully mix fuel， researchers have developed a variety of mixing enhancement technologies， which are mainly divided into active and passive types. Active mixing enhancement technology relies on large－scale self－excitation to improve the mixing degree of fuel， and is gradually favored by researchers because of its advantages of easy control and simple structure. This paper focuses on three active mixing enhancement technologies： plasma energy deposition assisted mixing technology， waveform/rough wall disturbed flow technology and pulse jet turbulence technology， summarizes their research status and development prospect， and makes a reasonable prospect for the future development trend， which provides ideas for the further optimization and development of fuel mixing enhancement technology in the future scramjet combustor.

Key words：? scramjet; mixing enhancement; plasma energy deposition; waveform/rough wall disturbed flow; pulse jet turbulence

收稿日期： 2022-08-04

*作者簡介： 王文龍（1987-）， 男， 河北邢臺人， 碩士。