基于支板穩(wěn)燃的超聲速火焰特性研究進展

張軍龍, 常軍濤, 王 瑄, 鮑 文

(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院, 哈爾濱 150001)

0 引 言

超燃沖壓發(fā)動機被譽為是能夠?qū)崿F(xiàn)高超聲速飛行的最佳吸氣式動力裝置[1-2]，它具有比沖高、速度快等優(yōu)點，同時，超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)部沒有轉(zhuǎn)動部件，還具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，因此各國都對其進行了大量的研究。Curran[3]以綜述的形式總結(jié)了超燃沖壓發(fā)動機發(fā)展的前四十年的研究進展，綜述中總結(jié)了美國、俄羅斯、法國、德國、日本、澳大利亞等一系列國家的相關(guān)研究進展，并提出了超聲速燃燒室所面臨的迫切需求。沖壓發(fā)動機工作在超聲速及高超聲速的氣流環(huán)境中，高速來流在進氣道內(nèi)通過激波壓縮達到了增壓降速的目的，已達到發(fā)動機最高的工作效率。在亞燃沖壓發(fā)動機中，經(jīng)過進氣道壓縮之后的氣流速度已經(jīng)由超聲速變?yōu)閬喡曀伲瑏喡曀贇饬鬟M入燃燒室中之后，對于點火、穩(wěn)燃等相對來說比較容易實現(xiàn)。在超燃沖壓發(fā)動機中，考慮到總壓損失等一系列性能指標，氣流不能被壓縮到亞聲速狀態(tài)，這就要求在高馬赫數(shù)運行工況下，燃燒室必須工作在超聲速氣流中，超聲速氣流中初期的燃燒能量積累及后續(xù)的火焰維持極其困難，這就給穩(wěn)燃器設計及后續(xù)的火焰穩(wěn)燃機理的研究提出了新的挑戰(zhàn)[4]。在超聲速燃燒室中，當飛行馬赫數(shù)達到6以上時，燃燒室中的氣流速度可以達到1000 m/s以上的量級，此時，燃料在燃燒室中的駐留時間極短，為ms量級，這為燃料的點火、燃燒帶來了巨大的挑戰(zhàn)。同時，液態(tài)航空煤油的點火延遲時間也遠大于其他氣體燃料，這就給燃料的高效燃燒帶來了更大的困難[5-6]。此時需要合理地設計穩(wěn)燃器來實現(xiàn)超聲速燃燒室中的燃燒組織及燃燒效率提升。

超聲速燃燒室中的燃燒與流動是相互耦合相互影響的關(guān)系，也就是說在分析火焰穩(wěn)定特性的過程中，需要綜合考慮流動因素及燃燒因素的相互作用，所以穩(wěn)燃器的設計也需要從兩個角度進行分析。超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定及燃料的高效燃燒與化學反應時間和燃料停留時間有著密切關(guān)系[7]。當前主流的火焰穩(wěn)燃方式為以凹腔為代表的火焰穩(wěn)燃模式，該模式通過在超聲速氣流中建立低速的區(qū)域，增加燃料在燃燒室中的駐留時間，實現(xiàn)了超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定，已有學者對該火焰穩(wěn)燃模式進行了綜述總結(jié)[8-9]。相對于凹腔穩(wěn)燃器，支板也被作為一種有效的燃料噴注器和火焰穩(wěn)燃器用于實現(xiàn)超聲速燃燒室中的火焰穩(wěn)定。從20世紀70年代美國蘭利研究中心[10]提出支板的概念開始，各國對支板構(gòu)型的燃油噴注器、火焰穩(wěn)定器展開了大量的實驗及數(shù)值模擬研究，證明了支板在增加燃油穿透深度、增強摻混等方面都具有較大的優(yōu)勢。為了進一步實現(xiàn)超聲速燃燒室中的燃燒組織優(yōu)化，各國學者對以支板穩(wěn)燃的超聲速燃燒室中火焰特性進行了機理性研究。本文基于當前超聲速支板穩(wěn)燃領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，總結(jié)了以支板作為穩(wěn)燃器的超聲速燃燒室中的火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，并對該方向未來的研究工作做出了展望?/p>

1 超聲速燃燒室中支板穩(wěn)燃器的特點及優(yōu)勢

1.1 超聲速氣流中主流的火焰穩(wěn)燃模式

為了實現(xiàn)超聲速燃燒室中的火焰穩(wěn)定及燃料的高效燃燒，需要在燃燒室內(nèi)設置合理的穩(wěn)燃器。當前超聲速燃燒室中的火焰穩(wěn)定器有侵入式和非侵入式兩種，其中非侵入式火焰穩(wěn)定器主要以壁面凹腔及壁面后向臺階為代表，侵入式火焰穩(wěn)定器以中心支板及中心噴油支桿為代表。胡吉超[11]對當前主流的超聲速火焰穩(wěn)定器進行了總結(jié)和分析，詳細對比了各種火焰穩(wěn)燃器的優(yōu)勢和缺點，重點對比了凹腔和支板兩種火焰穩(wěn)燃器的火焰特性，圖1和圖2分別為火焰穩(wěn)燃模式下的燃燒室結(jié)構(gòu)及火焰基本形態(tài)。在凹腔火焰穩(wěn)燃模式下，在壁面位置設置小型凹腔，能夠在凹腔內(nèi)部形成較大規(guī)模的低速回流區(qū)實現(xiàn)燃料的點火及火焰穩(wěn)定，同時，由于凹腔設置在壁面附近，不會對主流造成較大的擾動。在該穩(wěn)燃模式下，燃燒室中的初始火焰首先形成于凹腔內(nèi)部的回流區(qū)及剪切層中，即燃燒是從壁面進行組織并向主流中擴散的，進而消耗主流中的氧氣，該種火焰形態(tài)被命名為“火包風”的燃燒流場結(jié)構(gòu)。這種燃燒組織模式的優(yōu)勢在于，在穩(wěn)燃器內(nèi)形成的回流區(qū)規(guī)模較大，容易實現(xiàn)燃料的點火及燃燒，使燃料具有較高的燃燒效率。劣勢在于，在壁面位置設置穩(wěn)燃器，不利于燃燒室壁面內(nèi)冷卻通道的布置，同時也容易引起局部的熱應力及應力集中。同時，主燃燒區(qū)在壁面附近，這就給壁面熱防護帶來了較大的壓力，不利于燃燒室的長時間工作。在支板火焰穩(wěn)燃模式中，直接將穩(wěn)燃器插入到主流中心位置，同時支板也起到了燃料噴注的作用，可以將燃料直接注入到超聲速主流中，在該種火焰穩(wěn)定模式下，初始火焰形成于支板尾部的主流當中，該種火焰形態(tài)被命名為“風包火”的燃燒流場結(jié)構(gòu)。這種燃燒組織模式優(yōu)勢在于，燃燒區(qū)在主流中心，高速來流可以將火焰與燃燒室壁面分離開，這就從根源上降低了燃燒室壁面熱流密度[4]，同時，該種燃燒組織模式下，可以不需要在燃燒室壁面設置額外的穩(wěn)燃器即可實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定，在光滑壁面燃燒室中更便于進行冷卻通道的布置，有利于燃燒室的長時間工作。其缺點在于，穩(wěn)燃器直接深入到主流中，會對主流產(chǎn)生較大的擾動，引起較大的總壓損失，同時支板前緣直接暴露在高速氣流中，極易引起前緣燒蝕。另外，為了不產(chǎn)生較大的阻力損失，支板厚度不能太大，這就使得支板尾部的回流區(qū)面積太小，穩(wěn)燃效果相對于凹腔穩(wěn)燃模式略差。

圖2 支板燃燒室火焰圖片[11]Fig.2 Flame image and flame boundary in strut flame holding mode[11]

因此，當前的兩種主流的火焰穩(wěn)燃模式各有利弊，在后續(xù)的研究中需要取長補短，進行進一步的穩(wěn)燃器優(yōu)化設計以達到燃燒室燃燒及冷卻性能的最優(yōu)。

1.2 支板穩(wěn)燃器在提高燃料摻混方面的優(yōu)勢分析

通過對不同穩(wěn)燃模式下的火焰形態(tài)分析可以看出，支板穩(wěn)燃模式下燃燒室的壁面熱流密度較低，這將有利于發(fā)動機的長時間工作。支板穩(wěn)燃器的另一個優(yōu)勢是可以直接將燃料注入到燃燒室中，提高了燃料的穿透深度，進而增加了燃料與氧化劑的摻混效率。

當前主流的燃料注入模式有兩種，即侵入式燃料噴注和非侵入式燃料噴注。非侵入式的噴注方式由設置在燃燒室壁面的燃料噴射器實現(xiàn)[12]，主要包括壁面垂直噴射器、物理斜坡噴射器和氣動斜坡噴射器，其中壁面垂直噴射器是最基礎也是最簡單的燃料注入方式。在典型的壁面垂直噴注方式中，燃料的穿透深度是一個重要的物理量，它同時受到燃料的噴前壓力和燃料注入速度的影響[11]。燃料的摻混效率在噴注位置附近的邊界層內(nèi)得到提升[13-14]，由于燃料的注入，在邊界層內(nèi)會形成小型的回流區(qū)，回流區(qū)的存在將提升燃料的摻混效率，同時也有利于燃料的點火燃燒。 同時在超聲速流場中，燃料的垂直注入會對來流產(chǎn)生較大的擾動，燃料邊界位置的弓形激波會造成較大的燃燒室總壓損失，結(jié)果表明弓形激波的存在會在一定程度上削弱燃料的遠場摻混效率和燃燒效率[15]。多角度的燃料注入會在一定程度上增強摻混，但是對遠場的摻混效果作用較小。

相對于非侵入式燃料注入方式，以噴油支板為代表的侵入式燃料注入方式可以直接將燃料注入到燃燒室主流中，大大提高了燃料的摻混效率。因此，各國學者對基于支板的燃料注入進行了大量研究。俄羅斯學者Vinogradov[16-17]在以乙烯為燃料的超聲速燃燒室中進行了基于支板燃料注入的燃料摻混特性分析，并對比了支板噴注與壁面噴注、后向臺階噴注和斜坡噴注之間的區(qū)別。結(jié)果表明，支板燃料噴注方式能夠?qū)崿F(xiàn)燃料的最佳摻混效果，同時，這種情況下燃燒室的燃燒效率也是最高的。俞剛[18]對超聲速燃燒室中噴嘴-支板組合噴注模式進行了實驗和理論分析，對比了燃料垂直噴射和平行噴射兩種情況下的燃料摻混特性。盡管采用支板燃料注入可以大大提高燃料的摻混效果，但是支板會在燃燒室中產(chǎn)生額外的阻塞作用，造成較大的總壓損失。Bogdanoff[19]對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的燃料注入和摻混模式進行了總結(jié)，其中重點關(guān)注了塔型燃料注入模式。相比于斜坡燃料噴注器，塔型支板噴注有較大的優(yōu)勢，塔型支板的結(jié)構(gòu)可以設計成比物理斜坡更小的尺寸，因此相比于斜坡噴注，產(chǎn)生的氣動阻力也將減小。由于在燃料注入和增強摻混方面的優(yōu)勢，支板被廣泛的用作燃料噴注器[20-21]。支板結(jié)構(gòu)參數(shù)會對燃料的摻混過程產(chǎn)生影響，Hsu[22]運用激光誘導熒光(PLIF)的手段對不同構(gòu)型的支板摻混特性進行了研究，圖3為所選用的支板結(jié)構(gòu)，所研究的支板具有不同的楔角、不同的支板長度和不同的支板結(jié)構(gòu)形狀。同時，通過仿真的手段研究了支板高度和寬度對燃料摻混過程及總壓損失特性的影響規(guī)律[23]，結(jié)果表明增加支板的尺寸能夠增加燃燒室總壓損失，同時支板后部的燃燒區(qū)面積也會隨之增大。支板上燃料的噴注點位置也會對摻混特征產(chǎn)生影響[24]，分別在支板的前緣、側(cè)壁面、尾緣和尖端設置了燃料噴注孔。將其中一個燃料噴注孔設置在靠近壁1/8H的位置，可以改善靠近壁面的燃料分布，進而提高點火特性。通過分析燃燒室流場特征和燃料分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)當采用后掠支板時，燃料可以向上游傳播并擴散到主流中心位置。在圓形軸對稱發(fā)動機燃燒室中進行的數(shù)值模擬研究表明[25]，在支板設計過程中有最佳后掠角，在最佳后掠角工況下能實現(xiàn)燃料摻混效率的提升，而不產(chǎn)生太大的燃燒室總壓損失。

圖3 不同機構(gòu)的支板構(gòu)型[22]Fig.3 Struts with different structural parameters[22]

同時，多支板耦合作用下的燃料注入及摻混特性也得到了廣泛的研究。Pandey[26-27]提出了一種雙支板燃料注入模式以提高燃料的摻混性能，同時在壁面也設置了燃料噴注器對燃料注入策略進行了優(yōu)化。圖4為雙支板燃料噴注工況下燃燒室中的流場分布圖，前后支板之間也形成一個易于燃燒的分離區(qū)，后支板尾部的回流區(qū)能夠提高燃料的摻混效率。壁面燃料的注入，在燃燒室中形成弓形激波，同時支板前緣產(chǎn)生的激波結(jié)構(gòu)造成了壁面附近的流動分離，激波對流動的作用進一步提高了壁面附近燃料的摻混效率。

在全尺寸燃燒室中，很難通過采用單個支板燃料注入實現(xiàn)高的燃料摻混效率，此時更應該采用多支板組合方式進行燃料供給。Manna[28]和Kumaran[29]通過三維數(shù)值模擬對多支板組合供油超聲速燃燒室進行了研究，在燃燒室流道中安裝了五塊支板，通過采用拉格朗日分散相分析研究了液體煤油液滴的蒸發(fā)和混合，預測了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的流動發(fā)展過程。采用多支板組合供油策略時，燃料在幾塊支板間的分配比例會大大影響燃料的摻混和燃燒[30]。當燃料在支板間分布不合理時，單個支板的燃料噴注會對其他支板燃料的摻混和燃燒產(chǎn)生負面影響，進而影響發(fā)動機的性能。

(a) 支板局部流場特征

(b) 摻混效率變化

2 基于支板穩(wěn)燃的超聲速燃燒室的火焰特性分析

在超聲速燃燒室中，氣流速度通?？梢赃_到1000 m/s的量級，這就使燃料在燃燒室中的駐留時間為ms量級，在如此短時間內(nèi)實現(xiàn)燃料的燃燒并獲得盡可能大的燃燒效率是超聲速燃燒室中亟需解決的關(guān)鍵問題。由此看來，超聲速燃燒室中實現(xiàn)高效燃燒的主要矛盾是燃燒室中的氣流駐留時間太短，無法滿足燃料的化學反應所需的時間[31]，致使燃料在參與化學反應時就被吹離燃燒室，造成了燃燒效率較低的現(xiàn)象?；诋斍暗难芯勘尘埃枰岢鲆粋€量化指標來定量地評估燃燒室的穩(wěn)燃能力及穩(wěn)定燃燒的基本條件，其中達姆科勒數(shù)(Da)被廣泛應用于超聲速燃燒領(lǐng)域以評價燃燒室的火焰穩(wěn)燃能力[9]，當且僅當Da>1時，即燃料的駐留時間大于燃料的化學反應時間時，燃料才能有充分的時間在燃燒室中發(fā)生化學反應形成穩(wěn)定的火焰。所以，為了實現(xiàn)超聲速燃燒室中的火焰穩(wěn)定，必須從燃料駐留時間和燃料化學反應時間兩個角度進行燃燒組織及優(yōu)化。

2.1 以增加燃料駐留時間為主導的火焰穩(wěn)定模式

通過增加燃料在燃燒室中的駐留時間來實現(xiàn)火焰穩(wěn)定的方案被用于解決超聲速燃燒室中火焰穩(wěn)定困難的問題，其中為代表的火焰穩(wěn)燃器為壁面凹腔火焰穩(wěn)定器。凹腔是當前超聲速燃燒室中最常采用的火焰穩(wěn)定器，其中超燃沖壓發(fā)動機領(lǐng)域的代表性成果X-51A[32]構(gòu)型即采用凹腔穩(wěn)燃器進行火焰穩(wěn)定。凹腔穩(wěn)燃器通過在超聲速氣流中形成局部低速區(qū)域進而提高燃料駐留時間的方式實現(xiàn)了超聲速火焰穩(wěn)定。在國內(nèi)，國防科技大學王振國等人[8]進行了大量的實驗及數(shù)值模擬工作，對基于凹腔穩(wěn)燃的超聲速燃燒室火焰穩(wěn)定特性進行了深入研究，并探究了不同凹腔結(jié)構(gòu)、不同燃油注入策略等對凹腔穩(wěn)燃特性的影響，基于此進行了進一步的燃燒室性能優(yōu)化工作。樂嘉陵[33]基于當前的研究成果，對超聲速氣流中基于凹腔的火焰穩(wěn)燃機制進行了總結(jié)。

在凹腔穩(wěn)燃的基礎上，為了進一步提高燃料的混合效率及燃料在燃燒室中的駐留時間，一種新型支板/凹腔組合穩(wěn)燃模式被應用于超聲速燃燒室中，其中支板位于凹腔的上游，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料直接注入到燃燒室主流中的目標，同時，支板燃料的預先噴注能夠?qū)崿F(xiàn)燃料在燃燒室中駐留時間的提高。在支板/凹腔耦合火焰穩(wěn)定超聲速燃燒室中，支板主要被用于燃料的注入，凹腔的主要作用則為火焰穩(wěn)定[34-35]。支板燃油注入相對于壁面燃油注入其優(yōu)勢在于可以大大提高燃料的穿透深度，在以煤油為燃料的超聲速燃燒室中[36]，在支板和凹腔的相互作用下，燃料的摻混性能及燃燒室的整體性能都得到了大大提高，當支板安置位置接近凹腔的時候，燃燒室的性能達到了最優(yōu)。實驗結(jié)果表明[37]，在支板/凹腔組合的超聲速燃燒室中，支板注入的燃油所占的比例越大，燃燒室的推力等性能越大。同時，支板燃油注入比例也會對燃燒室中的燃燒模態(tài)產(chǎn)生影響，通過逐漸增加支板燃油的比例，燃燒室中的主燃燒區(qū)逐漸向凹腔的下游移動。圖5展示了凹腔內(nèi)部噴注和支板/凹腔組合燃油噴注兩種工況下燃燒室中的流線特征[38]，結(jié)果表明，支板的尾跡會產(chǎn)生多個剪切層，剪切層的存在為燃料提供了更寬的混合區(qū)域。當凹腔前緣沒有安裝支板的時候，氣流沿著隔離段的壁面邊界在凹腔的前緣處出現(xiàn)分離，在凹腔的下游，氣流重新附著到壁面，其中有一部分空氣被裹挾進凹腔內(nèi)部的回流區(qū)中，實現(xiàn)燃料的摻混。當支板安裝在凹腔前端的時候，支板尾部形成的尾流剪切流會與壁面剪切層相互作用，增加燃料在凹腔內(nèi)的穿透作用，如圖5(b)所示。

(a) 無支板流場特征

張新宇[39]在以煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動機中研究了基于支板/凹腔燃料組合噴注的燃燒室特性，其中支板主要用于進行燃料注入，實現(xiàn)燃料的摻混增強，凹腔用于實現(xiàn)火焰穩(wěn)定。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)[40]，支板噴注的燃料大多集中分布于支板的尾部，同時，支板的阻塞作用會對燃燒室性能產(chǎn)生負面影響。這種情況下，一部分燃油會從壁面位置注入，以提高燃料與主流的摻混效果，此時，支板噴注和壁面噴注存在一個最佳的燃油分配比例范圍，在這個范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒室性能最優(yōu)。

為了增強超聲速燃燒室中燃料的摻混效率及提高燃料的駐留時間，徐旭[41-43]提出了一種基于雙支板燃料注入及穩(wěn)燃的超聲速火焰穩(wěn)定模式。實驗模型中，雙支板垂直分布在燃燒室通道中的上游和下游，其中上游支板主要作為燃料噴注器，將燃料直接注入到超聲速主流中，實現(xiàn)了燃料的預噴并增加了其駐留時間，下游支板起到了火焰穩(wěn)定器的作用。為了提高火焰的穩(wěn)定效果，在下游支板尾部位置設置了一個小型凹腔結(jié)構(gòu)作為火焰穩(wěn)定器。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有當燃燒室下游出現(xiàn)熱阻塞的情況下,上游支板噴注的燃油才會實現(xiàn)點火燃燒，因此該燃燒組織方式下燃燒室的燃燒性能會受到流動狀態(tài)的影響。實驗過程中，運用高速相機記錄并分析了火焰閃回現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)，在燃燒室下游出現(xiàn)熱阻塞的時候，在上游支板和下游支板之間形成了亞聲速區(qū)，火焰在亞聲速區(qū)中向上游傳播，達到了上游支板的位置。通過對不同來流工況的實驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，在高來流總溫和低來流馬赫數(shù)工況下，燃燒室中更容易出現(xiàn)火焰閃回現(xiàn)象。進一步，研究人員研究了兩種來流工況下，燃油當量比動態(tài)變化時燃燒室中得到火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑C理[42]。上游支板注入的燃油被點燃之后，根據(jù)燃油注入工況的不同，支板火焰出現(xiàn)了兩種模式，即回流區(qū)火焰穩(wěn)定模式和薄剪切層火焰穩(wěn)定模式，兩種模式的火焰特征如圖6所示。由于支板的阻塞作用，支板尾部的回流區(qū)中的氣流流動速度遠小于主流中的流動速度，這將有利于局部火焰的建立。在回流區(qū)火焰穩(wěn)定模式中，一部分燃油被卷攜到支板尾部的回流區(qū)中，這部分燃油被點燃之后形成了值班火焰。在此模式下，當當量比降低到一定程度的時候，火焰模式從回流區(qū)火焰穩(wěn)定模式轉(zhuǎn)換為薄剪切層火焰穩(wěn)定模式，此時，主火焰位于支板尾部的剪切層中。由于當量比降低，只有極少部分的燃料進入了支板尾部的回流區(qū)，而大部分燃料將集中在剪切層中，形成值班火焰。

楊慶春[44]也進行了雙支板燃燒室火焰穩(wěn)定特性的研究，并通過實驗中測量得到的燃燒室沿程壓力數(shù)據(jù)分析燃燒室的性能。實驗過程中，上游支板放置在隔離段的末端，為第一級燃油注入，下游支板安裝在燃燒室第二級等直段中。實驗結(jié)果表明，在亞燃模態(tài)下，第一級燃油注入實現(xiàn)了燃燒室較好的工作性能。而在超燃模態(tài)下，通過下游支板實現(xiàn)的第二級燃油注入能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒室更好的工作性能。進一步研究了三支板燃油注入超聲速燃燒室性能[45]，探究了不同燃油分配策略下燃燒室的性能，研究結(jié)果表明支板的數(shù)量和流向安置位置對燃燒室的性能會產(chǎn)生很大影響。

(a) ER=0.3, 上游支板火焰穩(wěn)燃模式

為了提高燃料的駐留時間，并充分利用發(fā)動機長度，俄羅斯學者[46]進行了大膽的突破性嘗試，他們將燃油的噴注點設置在了進氣道入口處，燃油噴注裝置如圖7所示。

圖7 進氣道噴油模型及紋影效果圖[46]Fig.7 Schlieren result in the inlet with fuel injection[46]

2.2 以提高燃料化學反應速率為主導的火焰穩(wěn)定模式

在以支板作為穩(wěn)燃器的超聲速燃燒室中，由于支板厚度限制，導致了燃燒室中的低速回流區(qū)面積較小，無法實現(xiàn)燃料駐留時間的提高，此時需要從提高燃料化學反應速率角度進行高效燃燒組織。

液體碳氫燃料在燃燒之前需要經(jīng)歷燃料的液滴破碎、霧化、摻混等一系列復雜過程，而且其點火延遲時間也較長。氫燃料由于具有點火延遲短等優(yōu)勢，為了實現(xiàn)超聲速氣流中的點火及火焰穩(wěn)定，在前期的研究中首先選取了氫燃料作為推進劑[47]，取得了大量的超聲速燃燒理論及特性的研究成果。德國學者[48-49]進行了大量研究，分析了基于支板穩(wěn)燃的氫燃料超聲速燃燒室的火焰特性。研究中采用ICCD相機捕捉火焰的形態(tài)，并通過在燃燒室壁面設置壓力傳感器進行燃燒室壓力測量。圖8和圖9分別為不同當量比工況下燃燒室支板尾部的火焰形態(tài)圖像和燃燒室沿程壓力分布曲線。在值班火焰工況下，燃燒室壓力相對于沒有燃料注入工況基本沒有變化，此時的支板火焰強度較弱，且都集中于支板尾部，并沒有在燃燒室中形成壓升。增加燃料當量比時，火焰位置向支板上游傳播，同時燃燒室壓力由于火焰強度的增強也有所提高。進一步增加燃料的當量比，火焰強度進一步增強。從ICCD圖片中我們可以看出，支板尾緣位置的金屬有輕微的燒蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)限制了這種穩(wěn)燃模式下燃料的當量比上限。該構(gòu)型支板的火焰特性研究對于揭示超聲速燃燒室火焰穩(wěn)定機理具有重要意義，研究過程中得到的實驗數(shù)據(jù)廣泛地被后續(xù)的研究者借鑒參考。

(a) Pilot flame, φISM=0

圖9 氫燃料燃燒室不同工況下的燃燒室壓力[48]Fig.9 Wall pressure distributions in different equivalence ratios fuel by hydrogen[48]

數(shù)值模擬方法也被廣泛應用于超聲速燃燒室支板穩(wěn)燃的研究中，Berglund[50]運用大渦模擬的方法研究了兩級支板燃料注入燃燒室中的流動、燃料摻混和燃燒過程，通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果與通過PLIF方法得到的實驗結(jié)果吻合度較好，證明了該大渦模擬結(jié)果可以用于分析燃燒室中復雜的流動和燃燒過程。

在研究過程中，支板被用作燃料噴射器實現(xiàn)燃料注入和混合增強，研究者深入分析了燃料的自點火和火焰穩(wěn)定機制。圖10為部分實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，其中圖10(a)、10(c)、10(e)為實驗得到的火焰亮度圖像，圖10(b)、10(d)、10(f)為相對應的數(shù)值結(jié)果中溫度分布結(jié)果。通過分析實驗與數(shù)值模擬結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，在支板尾部存在自由剪切層，火焰主要形成于自由剪切層中，支板尾部渦流的存在使火焰向主流中擴散，在渦作用、強湍流作用和燃燒作用的共同作用下，火焰邊界出現(xiàn)褶皺。

此外，除了采用化學反應速率快的燃料作為推進劑，采用輔助點火燃燒的方案也是實現(xiàn)超聲速火焰穩(wěn)定的基本手段。在以煤油為主推進劑的超聲速燃燒室中，為了實現(xiàn)燃料的成功點火及火焰穩(wěn)定，可以采用持續(xù)的能量注入，實現(xiàn)燃燒室的局部高溫，進而加快煤油的化學反應過程。俞剛[51]提出了煤油-氫燃燒室的方案，并對該方案進行了大量的實驗研究，實驗過程中以煤油作為主推進劑，但是在燃燒區(qū)中加入少量的氫氣，由于氫氣的點火延遲及化學反應時間更短，加入燃燒室中的氫氣首先被點燃形成了值班火焰，在值班火焰的作用下，主燃料被點燃形成穩(wěn)定的煤油燃料火焰。后續(xù)進行了各種優(yōu)化過程，包括氫氣的當量比、穩(wěn)燃器構(gòu)型、燃料的噴注壓力、燃料噴注器構(gòu)型、空氣來流條件等方面的對比，最終實驗結(jié)果表明，煤油的點火及穩(wěn)定燃燒存在最低的引導氫氣流量，以總溫為1710 K的來流條件為例，只有當局部的氫氣燃油當量比達到0.09以上時，才能實現(xiàn)主燃料的點火及火焰穩(wěn)定。

圖10 不同支板構(gòu)型下的實驗及數(shù)值模擬結(jié)果Fig.10 Experimental and numerical results of flame images in different strut parameters

利用等離子的方式增強燃燒也是減小燃燒化學反應時間的重要手段，等離子體在點火及助燃過程中具有兩個明顯的優(yōu)勢，第一是等離子體產(chǎn)物溫度較高，可以為燃料的燃燒提供有效的熱量供應，第二是等離子體產(chǎn)物中含有強氧化性基團，這也有利于加快燃料的化學反應進程。俄羅斯的Sergey[52]等人進行了基于凹腔和后向臺階的等離子體增強燃燒技術(shù)研究，在凹腔內(nèi)部設置了電極形成了局部等離子體發(fā)生區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)建立了富等離子區(qū)，在等離子體的作用下實現(xiàn)了燃料的點火及火焰穩(wěn)定，同時，在等離子的作用下，燃油的燃燒效率得到了大幅度地提高，實驗結(jié)果如圖11所示，這初步證明了等離子體在加快燃料化學反應及實現(xiàn)超聲速燃燒室火焰穩(wěn)定方面的應用前景?；诖搜芯?，斯坦福大學的學者進行了進一步的實驗探索[53]，他們在光滑壁面的超聲速燃燒室壁面上植入了電極，在沒有穩(wěn)燃器輔助的作用下，通過等離子體的作用，實現(xiàn)了來流馬赫數(shù)2工況下的點火及火焰穩(wěn)定。大量的實驗結(jié)果證明了，等離子體在超聲速燃燒室點火及火焰穩(wěn)定中的應用前景，后續(xù)的等離子助燃機理及特性需要進一步的探索。

圖11 等離子體作用下的點火及燃燒增強[53]Fig.11 Ignition and the combustion enhancement with the effects of plasma[53]

2.3 基于中心薄支板穩(wěn)燃的超聲速燃燒室火焰穩(wěn)燃特性分析

燃料在純氧中的化學反應速率相對于空氣中的會有大幅度地提高，基于這一基本原理，哈工大鮑文等人創(chuàng)造性地設計了一種基于尾部補氧的中心薄支板超聲速火焰穩(wěn)燃策略[54-56]，通過在支板尾部加入少量補氧的方式，實現(xiàn)了超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定。薄支板結(jié)構(gòu)如圖12所示，其中噴注孔A為燃料噴注器，噴注孔B為純氧噴注器，這種薄支板厚度僅為6 mm，阻塞比6%，這就大大降低了支板產(chǎn)生的氣動阻力，進一步提高燃燒室性能。

圖12 補氧薄支板構(gòu)型[54]Fig.12 O2-pilot strut designed in Harbin Institute of Technology[54]

胡吉超[55]在雙模態(tài)超聲速燃燒室中對該構(gòu)型補氧支板進行了實驗測試，發(fā)現(xiàn)該支板具有較強的火焰穩(wěn)定性能，在當量比0.19～1.0的寬工況范圍內(nèi)均實現(xiàn)火焰穩(wěn)定。圖13為補氧支板點火過程中支板尾部燃燒室壁面的溫度變化曲線和燃燒室火焰圖片，煤油注入之后，在等離子體點火器的作用下，支板尾部形成局部火焰，此時煤油溫度上升；氧氣加入之后，燃燒室內(nèi)形成了整體火焰，且壁面壓力迅速上升到600 ℃以上；關(guān)閉點火器之后，燃燒室溫度略有下降，但是火焰形態(tài)基本沒有變化；氧氣關(guān)閉之后，燃燒室火焰熄滅，溫度降低到常溫狀態(tài)。張軍龍[56]在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，基于薄支板穩(wěn)燃的燃燒室中的火焰存在兩種基本形態(tài)，即局部火焰形態(tài)和整體火焰形態(tài)。在局部火焰形態(tài)下，燃燒室中會產(chǎn)生局部火焰，但是火焰能量較弱，無法在燃燒室中建立足夠的壓升，此時燃燒室性能極差；在整體火焰形態(tài)下，燃燒室中不僅有明顯的火焰，而且在燃燒室中會形成明顯的壓升，此時燃燒室具有較好的性能。圖14為研究過程中發(fā)現(xiàn)的四種燃燒室火焰典型工況，從圖中可以看出，只有在圖14(b1)工況下燃燒室中建立了整體火焰，此時的燃燒室工作狀態(tài)為高補氧流量和高燃油當量比工況，這證明了補氧在加速燃料化學反應及增強燃燒室火焰穩(wěn)定特性方面具有較大的作用。同時，進一步增加支板尾部的補氧流量，燃燒室中的燃油燃燒效率將有進一步的提高。在研究過程中，通過對火焰形態(tài)的分析[57]，進一步闡述了補氧在火焰穩(wěn)定過程中的重要作用。圖15為基于中心薄支板穩(wěn)燃的超聲速燃燒室火焰穩(wěn)定形態(tài)，從圖中可以看出火焰構(gòu)型呈現(xiàn)V字型，V型火焰的根部位于支板尾部的回流區(qū)中。根據(jù)呈現(xiàn)的火焰圖像，可以將整個火焰分成三個區(qū)域，即主預混火焰區(qū)、富氧擴散火焰區(qū)和富油擴散火焰區(qū)。在支板前緣進行燃料注入，燃料進入支板尾部的回流區(qū)中之后，與支板尾部的氧氣混合，在點火器的作用下逐漸形成主預混火焰，圖中用白色虛線表示的區(qū)域即為主預混火焰區(qū)域。進一步，主預混火焰向兩邊擴散，由于氧氣主要集中于支板尾部，燃料位于支板側(cè)面，所以擴散火焰形成了富燃區(qū)和富油區(qū)。圖中綠色曲線為富氧區(qū)邊界，紅色曲線為富油區(qū)邊界，藍色曲線標識的為火焰邊界?；谘a氧支板的中心火焰，其火焰屬性被定義為局部預混火焰。大量實驗結(jié)果證明，在支板尾部加入10 g/s的純氧就能實現(xiàn)超聲速火焰穩(wěn)定，而且可以大大減小支板厚度，這是一種有效的進行超聲速燃燒組織的火焰穩(wěn)定策略。

圖13 點火過程中支板尾部溫度變化及火焰圖片[55]Fig.13 Temperature variation at strut back in ignition process[55]

圖14 四種典型工況下的火焰圖片[56]Fig.14 Flame images in four typical conditions[56]

圖15 基于薄支板穩(wěn)燃的火焰穩(wěn)定形態(tài)[57]Fig.15 Stable flame shapes in strut flame holding mode[57]

3 支板穩(wěn)燃超聲速燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h2>

超聲速氣流中燃燒與流動是相互耦合統(tǒng)一的，在點火及火焰穩(wěn)定之后，火焰產(chǎn)生的釋熱會對燃燒室氣流產(chǎn)生影響，造成主燃燒區(qū)中的氣流速度降低，氣流速度降低之后將更有利于火焰的穩(wěn)定。

3.1 基于支板穩(wěn)燃超聲速氣流中的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象

超聲速燃燒室中的燃燒過程為強湍流燃燒過程，燃燒室中復雜的湍流流動會產(chǎn)生大規(guī)模的渦結(jié)構(gòu)，在渦結(jié)構(gòu)的作用下，火焰?zhèn)鞑ヌ匦詴艿接绊?，并進一步增加燃燒強度[58]。同時，燃燒室中火焰的傳播也會產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至會導致熄火。因此，燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦允菍崿F(xiàn)有效和穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵因素。

Mitani[59]通過數(shù)值模擬的方法對氫燃料超聲速燃燒室中的火焰建立及傳播過程進行了分析，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，火焰在模擬飛行馬赫數(shù)為6的研究工況下，以500 m/s的速度向上游傳播。燃燒器中的各個燃料噴嘴周圍也會產(chǎn)生小火焰，并且在發(fā)動機的下游產(chǎn)生大規(guī)模的擴散火焰。Rasmussen[60]運用LIF技術(shù)檢測了燃燒場中OH和CH2O的分布，作為燃燒過程的重要中間產(chǎn)物，這兩種物質(zhì)的分布也能直接反映燃燒區(qū)的分布，在燃油流量逐漸減少到貧油邊界的過程中，火焰的結(jié)構(gòu)和火焰位置都發(fā)生了顯著的變化。袁生學[61]認為燃燒室中的火焰擾動的傳播速度可以超過聲速，所以超聲速燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ミ^程與亞聲速燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ミ^程有本質(zhì)的區(qū)別。孫明波[62]研究了當量比和燃料種類對火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，研究結(jié)果表明，隨著燃料初始溫度的提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大；隨著燃燒室壓力的升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。

在燃料空氣的預混區(qū)域，由于燃料的劇烈燃燒，火焰會向上游傳播，這被稱作是火焰的閃回?；鹧娴拈W回會破壞火焰的穩(wěn)定性[63]，進一步會導致火焰的吹熄和發(fā)動機進氣道的不起動現(xiàn)象，這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生均會嚴重影響發(fā)動機的性能。在凹腔穩(wěn)燃的超聲速燃燒室中，初始火核首先在點火器附近形成，初始火核的擴散傳播逐漸在凹腔內(nèi)部形成整體火焰，凹腔中的整體火焰沿著凹腔下游形成的剪切層傳播，引燃下游注入的燃油。燃燒室下游燃料的燃燒，會產(chǎn)生預燃激波串，同時火焰區(qū)域會對來流產(chǎn)生阻礙作用，在燃燒和流動的相互作用下，燃燒室內(nèi)部形成了整體火焰。另外，凹腔的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型參數(shù)會對燃料的擴散和火焰?zhèn)鞑ミ^程產(chǎn)生影響。胡吉超[64]通過實驗發(fā)現(xiàn)了超聲速燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ミ^程存在兩種模式，燃燒室下游產(chǎn)生熱阻塞和不產(chǎn)生熱阻塞的情況下火焰?zhèn)鞑ミ^程有所不同。圖16為當量比0.4工況下火焰?zhèn)鞑ミ^程的圖片。在這種實驗工況下，燃燒室下游產(chǎn)生了熱阻塞，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程被分成了三個階段，分別為初始火焰建立階段、火焰?zhèn)鞑ルA段和火焰穩(wěn)定階段。在火焰?zhèn)鞑ルA段，出現(xiàn)了火焰逆流傳播現(xiàn)象。而低當量比工況下，燃燒室下游不產(chǎn)生熱阻塞，這種火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象也沒有出現(xiàn)。張軍龍[65]通過地面實驗的方式，發(fā)現(xiàn)了超聲速氣流中的中心火焰和壁面火焰均存在回傳現(xiàn)象，在回火過程中，火焰首先沿著燃燒室壁面及支板側(cè)壁面的低速區(qū)域向上游傳播，隨著燃燒強度的增加，火焰甚至傳播到了燃油噴注點的上游，出現(xiàn)了大面積的火焰回傳。通過分析，發(fā)現(xiàn)了壁面回火現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于壁面附近分離區(qū)及回流區(qū)的產(chǎn)生引起的燃油沿側(cè)壁面向上游擴散；中心火焰回火的產(chǎn)生是由于支板壁面位置低速分離區(qū)的產(chǎn)生，進一步的前傳是由于燃油噴注器附近產(chǎn)生的逆壓梯度造成的燃油向主流上游的卷吸作用造成的。回火現(xiàn)象及機理闡述如圖17所示。

圖16 火焰?zhèn)鞑ミ^程[64]Fig.16 Flame propagation process[64]

火焰的傳播和燃燒區(qū)的擴散會對高速來流產(chǎn)生擾動，燃燒和流動的相互作用會使燃燒室中產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[66]，模態(tài)轉(zhuǎn)換過程也會對發(fā)動機控制、發(fā)動機性能提升產(chǎn)生很大的影響。一批學者認為超聲速燃燒室中的流動工況可以分成三種模態(tài)，即亞燃模態(tài)、初期超燃模態(tài)和后期超燃模態(tài)[67]，各模態(tài)下的預燃激波串特性如圖18所示，這些模態(tài)的特性都與燃燒和流動的相互作用有緊密關(guān)聯(lián)。

圖17 中心火焰回火現(xiàn)象及機制分析[65]Fig.17 Flame flashback phenomenon and mechanism of core flame[65]

圖18 不同燃燒模態(tài)下的預燃激波串形態(tài)[67]Fig.8 Shock train characteristics in different combustion modes[67]

楊慶春[68]研究了超聲速燃燒室中的動態(tài)特性，通過判斷燃燒室中熱阻塞點出現(xiàn)的數(shù)量，將燃燒分成了三種模態(tài)，其中包含兩種亞燃模態(tài)和一種超燃模態(tài)。張辰琳[69-71]通過實驗和數(shù)值模擬的方法，進一步研究了基于支板的超聲速燃燒室中的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，深入分析了燃燒室流動和燃燒的相互作用關(guān)系。

3.2 支板/壁面組合燃油噴注下超聲速燃燒室火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

為了實現(xiàn)燃油的分級注入，提高燃燒室性能。胡吉超[11]提出了一種支板/壁面組合燃油注入模式，該模式能兼顧燃料的燃燒和冷卻性能。燃油注入思路如圖19所示。

圖19 基于支板/壁面組合噴射的燃燒組織示意圖[11]Fig.19 Schematic diagram of strut/wall combined fuel injection mode[11]

燃油從支板注入到燃燒室中，火焰形成于中心位置，這樣可以從根源上降低壁面熱流密度，為了實現(xiàn)壁面附近氧氣的有效利用，設置了多級壁面燃油注入。壁面燃油注入之后，首先在壁面位置形成冷卻油膜，油膜吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，降低了燃油噴注點的壁面熱流密度。進一步發(fā)展，油膜將被中心火焰點燃參與到燃燒中，提高燃油的燃燒效率。通過該種燃油注入方式，實現(xiàn)了超聲速氣流中燃燒與冷卻的耦合統(tǒng)一，實現(xiàn)了燃燒室性能優(yōu)化。后續(xù)，胡吉超對支板/壁面組合噴油的超聲速燃燒室性能進行了分析[72]，初步證明了該燃油注入策略在提高燃燒室性能、降低燃燒室壁面熱防護壓力方面的作用。他從系統(tǒng)層面對該燃油注入策略進行了評估，結(jié)果表明：支板燃油當量比較低時，中心火焰強度太弱，無法引燃壁面燃油；在支板/壁面燃油配比為1∶1的工況下，燃燒室性能達到了最優(yōu)。同時，壁面燃油的加入可以在一定程度上降低燃燒室壁面熱流密度，對燃燒室壁面起到了冷卻的作用。所以，支板/壁面組合噴油的燃油注入策略從燃燒角度和熱防護角度都具有較好的燃燒室性能，是一種有效的燃燒組織模式。

基于之前的研究，張軍龍進行了支板/壁面燃油組合注入燃燒室火焰特性研究[73]。為了探究中心火焰對壁面火焰的作用，進行了支板燃油當量比增加的三組對比實驗，實驗過程中壁面燃油當量比不變。圖20為三種工況下燃燒室壁面壓力隨時間變化的曲線。實驗中選取了四個特征點的壓力傳感器進行壓力分析，分別為T1、T2和T4、T5，其中T1和T2為中心燃燒區(qū)的壓力傳感器，T4和T5為壁面燃燒區(qū)的壓力傳感器。在工況A中，中心火焰建立階段，中心支板燃油被點燃，燃燒室壓力隨之升高，壓力傳感器T1和T2壓力有了比較明顯的壓力升高，然而T4和T5的壓力基本沒有變化。此時，由于支板當量比較小，中心火焰強度不高，燃料在進入壁面噴油位置的時候基本燃盡，沒有引起壁面燃燒區(qū)壓力的升高。在工況B和工況C兩種工況下，在壁面燃油注入之后，在燃燒室壁面燃油噴注附近的T4和T5傳感器產(chǎn)生了壓升，證明此時的壁面噴注燃油被點燃參與到燃燒中。對比三組實驗結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)：在支板當量比較低的工況下，壁面燃油沒有被點燃；支板燃油當量比較高的工況下，燃油才被點燃，在壁面燃燒區(qū)建立壓升。從上一節(jié)中，我們研究發(fā)現(xiàn)，隨著支板燃油當量比的增加，中心火焰逐漸向壁面附近擴散傳播，接近壁面噴油位置，造成了火焰面積和火焰寬度的增加。在當量比較大的時候，支板火焰能傳播到壁面噴注器位置，將壁面注入的燃油點燃。本部分的實驗結(jié)果表明，當支板燃油當量比不夠大的時候，中心火焰太弱，不能引燃壁面注入的燃油。然而，當中心火焰足夠強之后，中心火焰就能傳播到壁面噴注器位置，點燃壁面注入的燃油。

(a) 工況A, ERstrut=0.13, ERwall=0.33

(b) 工況B, ERstrut=0.21, ERwall=0.33

(c) 工況C, ERstrut=0.33, ERwall=0.33

為了探究壁面火焰對中心火焰的作用，進行了兩組地面實驗。實驗中保持中心燃油當量比不變，壁面燃油當量比增加。圖21為這兩種工況下實驗過程中壁面壓力隨時間變化曲線。在這兩種對比工況下，選取5個壓力傳感器展示燃燒室特性，分別為T2、T3、T4、T5和T6，其中T2、T3為中心燃燒區(qū)的壓力傳感器，T4、T5、T6為壁面燃燒區(qū)的壓力傳感器。在這兩種實驗工況下，燃燒室壓力在中心火焰建立階段和中心火焰穩(wěn)定階段基本一致，因為此時沒有壁面燃油注入，同時，這兩種工況下支板燃油當量比也相同。當壁面燃油注入之后，位于壁面燃燒區(qū)的壓力有了較大幅度的上升，由于工況E中的壁面燃油當量比更大，在這種工況下的燃燒室中T4、T5、T6采集到的壓升更高。同時，在工況D中，壁面壓力升高之后，T3的壓力也有所上升，證明在壁面火焰的作用下，中心火焰加強，但是T2的壓力在壁面燃油注入前后基本沒有太大的變化。在工況E中，壁面火焰得到了進一步的加強，壁面火焰建立之后，T3壓力也有了較大幅度的上升，此時T2壓力也有所上升，證明隨著壁面火焰的增強，中心燃燒區(qū)的火焰也在向上游傳播，壁面火焰的作用，促進了中心火焰的前傳。

(a) 工況D, ERstrut=0.21, ERwall=0.33

研究結(jié)果表明，在支板/壁面組合噴油的燃燒室中，中心火焰的主要作用是點燃壁面加入的燃油，且只有當中心火焰達到一定強度之后才能實現(xiàn)壁面燃油的成功點燃；反之，壁面火焰建立之后能夠促進中心火焰的強度，壁面火焰的產(chǎn)生會在壁面燃燒區(qū)形成熱阻塞，進而降低中心燃燒區(qū)的氣流速度，在較低的氣流速度中，中心火焰的強度會得到明顯加強。

3.3 支板穩(wěn)燃的燃燒室中的火焰?zhèn)鞑ヒ鸬恼袷幀F(xiàn)象分析

超聲速氣流中燃燒與流動過程是強耦合的，火焰建立之后會存在火焰?zhèn)鞑ゼ皵U散現(xiàn)象，火焰的擴散及傳播過程會對高速來流產(chǎn)生擾動，在燃燒與流動的相互作用下，燃燒室中的火焰形態(tài)會出現(xiàn)明顯的火焰振蕩現(xiàn)象。

火焰振蕩是超聲速燃燒室中火焰的典型特征，與火焰穩(wěn)定性存在密切的聯(lián)系。實驗研究了不同火箭噴射膨脹度下的火箭噴射/空氣流動的物理相互作用機制[74]。結(jié)果表明，不穩(wěn)定的過度膨脹火箭射流對RBCC燃燒室的燃燒振蕩特性有重大影響。不同位置處的燃燒室壓力振蕩在振幅、頻率和控制機制上都存在較大差異?；鹧媲安空袷幏治霰砻?，支板回流區(qū)中的火焰-沖擊相互作用是造成燃燒不穩(wěn)定的主導因素。 非穩(wěn)定流動與火焰演化之間的相互作用可能會導致流動振蕩的大幅度偏移[75]。實驗研究了帶凹腔的超燃沖壓發(fā)動機中的火焰振蕩現(xiàn)象[76]。在冷流中，具有較大后角的凹腔中壓力振蕩多的頻率和強度都比較高。當燃燒發(fā)生時，壓力振蕩的頻率和強度都轉(zhuǎn)換到更高的水平，表明此時存在高頻、高強度的燃燒振蕩。仿真結(jié)果表明，燃燒振蕩主要可歸因于兩種機理[77]。一種是不穩(wěn)定的火焰從腔體剪切層擴散到主流，另一種是在燃料射流周圍形成的可燃液體區(qū)域引起的自動點火，并伴隨著發(fā)夾渦的產(chǎn)生。實驗結(jié)果表明，振蕩模式與混合狀態(tài)密切相關(guān)[78]。隨著整體當量比的增加，燃燒振蕩變得更加規(guī)則和頻繁，這在燃料射流附近最為密集，并且當將燃料噴注器和火焰穩(wěn)定器安裝在擴張段壁面時，周期性燃燒振蕩更容易出現(xiàn)[79]。燃料的改變也會對燃燒室振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生較大影響，包括具有不同化學動力學的氫氣、乙烯和煤油，會對超燃沖壓燃燒室中的反應過程產(chǎn)生重大影響，在相同的運行條件下，它們會分別導致穩(wěn)定的燃燒、周期性振蕩和點火失敗。燃燒室的火焰振蕩與燃燒室模態(tài)有一定的聯(lián)系[80]，通過分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)了火焰穩(wěn)定之后存在著火焰面積的振蕩現(xiàn)象，并根據(jù)火焰面積的振蕩頻率將振蕩現(xiàn)象分成了低頻和高頻兩種振蕩機制，其中低頻振蕩是由于燃燒區(qū)的逆壓梯度引起了火焰前傳造成的，高頻振蕩是由于值班火焰產(chǎn)生周期性振蕩造成的。后續(xù)分析了補氧流量、燃油當量比等因素對火焰振蕩特性的影響規(guī)律。通過在不同來流馬赫數(shù)、不同燃油當量比下對火焰振蕩特性的分析，發(fā)現(xiàn)火焰振蕩強度與燃燒室中的燃燒模態(tài)存在較大的關(guān)聯(lián)性。在燃油當量比線性增加的過程中，火焰面積逐漸由小振幅模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笳穹B(tài)，實驗結(jié)果如圖22所示，且火焰面積振蕩中振幅的變化與燃燒室中的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)。在超燃模態(tài)下，火焰穩(wěn)定性強，此時的火焰面積振蕩振幅較??；在亞燃模態(tài)下，由于氣流速度較低，火焰穩(wěn)定性較弱，此時出現(xiàn)了大規(guī)模的火焰振蕩，其火焰面積振蕩幅度較大。基于研究結(jié)果，建立了火焰振蕩模態(tài)與燃燒室燃燒模態(tài)的基本關(guān)系，即在燃燒室超燃模態(tài)中，燃燒室火焰面積振蕩為小振幅振蕩模式，在燃燒室亞燃模態(tài)中，燃燒室火焰面積振蕩為大振幅振蕩模式。

圖22 當量比線性增加過程中火焰面積及火焰形態(tài)變化趨勢[82]Fig.22 Variation of flame area in the experiment with a linearly increasing equivalence ratio[82]

4 結(jié) 論

超聲速燃燒室中，燃料駐留時間太短造成了穩(wěn)燃極其困難的問題，合理設計穩(wěn)燃器可以有效提高燃燒室中燃料的燃燒效率。本文圍繞超聲速氣流中的支板穩(wěn)燃器探究了燃料的摻混特性、火焰穩(wěn)燃機理及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，重點介紹了基于補氧穩(wěn)燃薄支板穩(wěn)燃的超聲速燃燒室火焰特性，研究結(jié)果表明該穩(wěn)燃模式在超聲速火焰穩(wěn)定方面具有較好的性能。并以此為基礎給出了當前的超聲速燃燒室火焰穩(wěn)定特性和火焰?zhèn)鞑ァ⒒鹧嬲袷幪匦缘难芯窟M展。

本文對基于支板穩(wěn)燃的超聲速氣流中的火焰特性進行了初步的總結(jié)，但是當前的針對火焰穩(wěn)定、火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯咳杂行枰鉀Q的問題，未來的工作將包括：

1) 相對于凹腔穩(wěn)燃模式，當前尚未形成支板穩(wěn)燃超聲速燃燒室中火焰特性的研究體系，應當提取統(tǒng)一的支板構(gòu)型的特征參數(shù),將支板構(gòu)型進行無量綱化表述，并獲得普適性規(guī)律；

2) 當前基于支板穩(wěn)燃器的超聲速燃燒室的研究局限在分析特定現(xiàn)象層面，需要加深理論深度分析，從理論層面揭示內(nèi)在的穩(wěn)燃機理、火焰特性等現(xiàn)象。

3) 當前支板穩(wěn)燃的模式尚未應用于工程之中，后續(xù)的研究應從實際工程應用的角度出發(fā)，對支板穩(wěn)燃模式進行合理改善及優(yōu)化，滿足諸如軸對稱超聲速燃燒室、大尺度燃燒室等工程需求。