超聲速氣流中的典型混合增強(qiáng)方法

周燕梅　吳繼平　黃偉

摘要：? ? ? 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)指空氣以超聲速進(jìn)入燃燒室并與燃料進(jìn)行混合和燃燒， 但是在來(lái)流速度如此快的條件下， 要實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的充分混合與穩(wěn)定燃燒是很困難的， 而穩(wěn)定燃燒的先前條件是燃料與空氣的充分混合。 因此， 增強(qiáng)混合的研究對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展起著重要的作用。 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者不斷研究并提出混合增強(qiáng)方法來(lái)解決燃料與空氣充分混合的問(wèn)題， 本文主要對(duì)混合增強(qiáng)方法中的橫向射流、 脈沖射流以及凹腔的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)與歸納， 并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出展望。

關(guān)鍵詞：? ? ?超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)； 混合增強(qiáng)； 橫向射流； 脈沖射流； 凹腔中圖分類(lèi)號(hào)：? ? ? TJ760; V211

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? A文章編號(hào)：? ? ?1673-5048（2023）02-0108-12

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0261

0引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)因具有速度快、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［1］、 重量輕、 單位推力大等優(yōu)點(diǎn)， 受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視， 不斷對(duì)其進(jìn)行研究和完善， 成為目前及未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)之一。 即使對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究不斷深入和完善， 但還是存在各種有待完善的問(wèn)題。 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的超聲速來(lái)流速度快， 燃料與來(lái)流在燃燒室的駐留時(shí)間只有毫秒量級(jí)［2］， 要在幾毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料和來(lái)流的充分混合及高效燃燒是十分困難的。 因此， 混合增強(qiáng)技術(shù)不斷被研究及應(yīng)用， 以達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的混合以及燃燒效率。

混合增強(qiáng)方法按其機(jī)理分為主動(dòng)混合增強(qiáng)方法和被動(dòng)混合增強(qiáng)方法， 主動(dòng)混合增強(qiáng)方法依靠大尺度自激勵(lì)來(lái)增強(qiáng)混合， 包括脈沖射流［3–6］、? 等離子體合成射流［7-8］等。 被動(dòng)混合增強(qiáng)方法作為一種有效的混合增強(qiáng)手段， 主要通過(guò)改變?nèi)紵业臉?gòu)型或者噴射方式來(lái)誘發(fā)軸向渦結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單， 作用方式直接［9］。 被動(dòng)混合方法主要包括橫向射流［10–12］、 斜坡［13–16］、 支板［17–21］、 塔橋［22-23］、 凹腔［24–26］、 波形壁［27–29］等。 為了對(duì)混合增強(qiáng)方法有一個(gè)更加全面的認(rèn)識(shí)， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者Hassan等［30］、 Choubey等［31］、 黃偉等［32-33］都對(duì)混合增強(qiáng)的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與歸納。

本文主要對(duì)主動(dòng)混合增強(qiáng)方法中的脈沖射流， 被動(dòng)混合增強(qiáng)方法中壁面橫向射流和凹腔進(jìn)行開(kāi)展。 凹腔的混合增強(qiáng)機(jī)理主要是依靠聲學(xué)激勵(lì)燃燒室內(nèi)誘發(fā)大尺度擾動(dòng)， 產(chǎn)生大尺度漩渦吸卷燃料與空氣。 脈沖射流通過(guò)脈沖激勵(lì)超聲不穩(wěn)定流動(dòng)來(lái)增強(qiáng)來(lái)流與燃料的接觸， 從而增強(qiáng)混合。 火焰穩(wěn)定［34–36］燃燒是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)想要達(dá)到的目的， 只有燃燒穩(wěn)定了發(fā)動(dòng)機(jī)才能在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作， 凹腔既可以增強(qiáng)混合， 又是理想的火焰穩(wěn)定器之一［37］。

1橫向射流的研究進(jìn)展

1.1橫向射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

超聲速壁面橫向射流是一種最經(jīng)典、 最簡(jiǎn)單的混合增強(qiáng)方式。 由于橫向射流具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 阻力小等優(yōu)點(diǎn)， 眾多學(xué)者對(duì)橫向射流進(jìn)行了研究， 黃偉等［38］還對(duì)其進(jìn)行了綜述。 典型超聲速壁面橫向射流三維結(jié)構(gòu)圖［39］如圖1所示。 射流從射流孔噴出， 其狀態(tài)為欠膨脹狀態(tài)， 當(dāng)欠膨脹狀態(tài)的射流從射流孔噴出后， 在射流孔附近發(fā)生普朗特-邁耶膨脹之后迅速膨脹， 在下游形成了筒狀激波和馬赫盤(pán)， 與此同時(shí)， 射流與超聲速來(lái)流相互碰撞， 形成了弓形激波。 橫向射流的流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的漩渦結(jié)構(gòu)， 其中包括圖1所示的射流剪切層漩渦、 馬蹄渦、 反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)（CVP）和尾跡渦（TCVP）。

Liu等［40］采用油流可視化技術(shù)和 NPLS 研究射流尾跡流區(qū)域， 展示了射流下游區(qū)域的近壁面流動(dòng)情況， 包括再附著區(qū)和V形分離區(qū)， 如圖2所示。

2018年， Liang等［41-42］采用NPLS技術(shù)清晰地觀(guān)察到了典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)， 識(shí)別了V形分離氣泡并揭示了V形分離泡周?chē)脑敿?xì)流場(chǎng)。 后來(lái)， Liang等還發(fā)現(xiàn)在近壁場(chǎng)中， 動(dòng)量通量比較低（J=2.3）的條件下， 存在一個(gè)V形區(qū)域， 該區(qū)域的前部燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高， 這是由來(lái)自不同方向靠近射流孔的橫向射流流線(xiàn)碰撞引起的， 而在較高動(dòng)量通量比（J=7.7）條件下， V形區(qū)域并不明顯， 不同動(dòng)量通量比的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖如圖3所示。

1.2橫向射流混合增強(qiáng)的影響因素

除了對(duì)橫向射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究， Yan等［43］采用極差分析和方差分析方法對(duì)影響橫向射流混合增強(qiáng)的因素進(jìn)行研究， 結(jié)果表明射流與來(lái)流的壓力比是影響超聲速橫向射流流場(chǎng)的最重要因素， 其次是射流角。

學(xué)者們還對(duì)射流孔的幾何形狀和射流孔的數(shù)量進(jìn)行研究。 Sebastian等［44］分析超音速橫向射流中橢圓射流的流動(dòng)機(jī)理， 并揭示不同長(zhǎng)寬比對(duì)流場(chǎng)的影響， 不同長(zhǎng)寬比的橢圓射流孔截面圖如圖4所示。 圖中， l和w分別是沿軸ξ1和ξ2的長(zhǎng)度， 軸ξ1與來(lái)流的流向平行。 研究表明， 穿透深度隨長(zhǎng)寬比的增加而增加。

Li等［45］通過(guò)求解RANS方程模擬研究長(zhǎng)方形、 三瓣形和圓形這三種不同幾何射流孔對(duì)燃料混合強(qiáng)度的影響， 如圖5所示。 結(jié)果表明， 三瓣形噴射器比長(zhǎng)方形和圓形射流孔具有更有效的混合性能， 其下游的流動(dòng)循環(huán)比其他射流孔類(lèi)型的流動(dòng)循環(huán)高200%以上。 Iwasa等［46］還將片狀射流孔與圓形射流孔對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)與圓形射流相比， 片狀射流具有更低的混合效率， 且動(dòng)量通量比會(huì)對(duì)片狀噴口射流混合產(chǎn)生影響， 混合效率隨動(dòng)量通量比的增加而增強(qiáng)。

2021年，? Zhang等［47-48］研究了氫/空氣同軸噴射對(duì)超聲速橫流中燃料混合性能的影響， 同軸空氣/氫氣多射流示意圖， 如圖6所示。 研究表明， 同軸空氣/氫氣射流的噴射策略增強(qiáng)了燃料與空氣射流的相互作用， 顯著改善了下游的混合效果。

2022年， Liang等［49］還用大渦模擬和NPLS實(shí)驗(yàn)， 在Ma=3的條件下， 對(duì)圓管中單孔射流和上下兩個(gè)射流孔相對(duì)噴射的射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較， 研究發(fā)現(xiàn)由于激波和再循環(huán)區(qū)的影響， 兩個(gè)相對(duì)噴射射流的總壓恢復(fù)系數(shù)和混合效率均高于單孔射流， 因此， 兩個(gè)相對(duì)噴射射流孔更適合于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。 除了單孔和雙孔橫向射流外， 學(xué)者們還研究了多孔橫向射流， Gerdroodbary等［50］用Navier–Stokes方程和SST湍流模型進(jìn)行研究， 由圖7的對(duì)比圖可以看出， 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高116%， 77%， 56%和41%。 當(dāng)16個(gè)燃料射流孔時(shí)， 氫射流的混合速率達(dá)到最大。

2脈沖射流的研究進(jìn)展

脈沖射流是指在超聲速壁面橫向射流基礎(chǔ)上對(duì)射流孔施加一個(gè)具有一定頻率和幅值的脈沖， 在橫向射流作用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)燃料與來(lái)流空氣的混合。 學(xué)者們對(duì)脈沖射流的研究主要是研究不同頻率幅值和脈沖波形對(duì)燃料混合增強(qiáng)效果的影響， 徐壯壯等［51］、 唐浩然等［52］對(duì)脈沖射流的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

2.1脈沖射流的頻率和幅值

Randolph等［53］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖峰值的壓力和動(dòng)量通量比與穩(wěn)態(tài)射流相等時(shí)， 脈沖射流的穿透深度較穩(wěn)態(tài)射流有所提高。 Williams等［54–56］首先在來(lái)流速度為Ma=2.3的條件下， 模擬了8 kHz， 16 kHz， 24 kHz和32 kHz的氫燃料噴射頻率， 結(jié)果表明， 在這些頻率范圍內(nèi)， 氫氣射流在超聲速氣流的穿透度增大且在這些頻率中16 kHz穿透深度增強(qiáng)效果最明顯。 后來(lái)又對(duì)脈沖射流和穩(wěn)態(tài)射流進(jìn)行多次研究， 結(jié)果表明， 超聲速來(lái)流中聲速氫射流的垂直平均穿透時(shí)間和橫向擴(kuò)散時(shí)間均增加。 2020年， 將穩(wěn)態(tài)和f=16 kHz的正弦脈沖射流進(jìn)行對(duì)比， 研究表明， 當(dāng)通量比相等時(shí)， 氣態(tài)氫射流正弦脈動(dòng)的穿透和混合效果與穩(wěn)態(tài)射流對(duì)比有很大的改善。 從圖8的馬赫數(shù)云圖和圖9的氫氣摩爾質(zhì)量云圖可以看出， 與穩(wěn)態(tài)噴射相比， 脈沖噴射方案的瞬時(shí)射流穿透和側(cè)向擴(kuò)散更深。

Zhao等［57-58］研究發(fā)現(xiàn)， 脈沖使燃料和超聲速來(lái)流的混合得到加強(qiáng)， 特別是50 kHz情況下的最佳脈沖頻率， 對(duì)于較低脈沖頻率（如5 kHz）或較高脈沖頻率（如200 kHz）， 流場(chǎng)和混合過(guò)程將趨向于穩(wěn)態(tài)射流。 后來(lái)又通過(guò)大渦模擬研究了在具有10°斜坡的超聲速來(lái)流中具有最佳頻率（50 kHz）的脈沖射流的增強(qiáng)混合和燃燒機(jī)理， 圖10為不同時(shí)刻脈沖射流和穩(wěn)態(tài)射流的氫氣質(zhì)量分布云圖， 圖10中的A， B， C為大尺度氫射流結(jié)構(gòu)， 周期性地出現(xiàn)在下游， 具有更高的射流穿透和更多的氣流夾帶。 圖10（a）～（d）存在由“A”標(biāo)識(shí)的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的剪切層漩渦結(jié)構(gòu)（A漩渦結(jié)構(gòu)向左右兩邊發(fā)展）。 但是對(duì)于圖10（e）中的穩(wěn)態(tài)射流， 僅發(fā)現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)剪切層渦旋結(jié)構(gòu)。 改變漩渦旋轉(zhuǎn)方向能使混合更加充分， 有利于混合物的燃燒， 從而提高燃燒效率。 對(duì)于最優(yōu)頻率下， Zhao等發(fā)現(xiàn)弓形激波特征頻率為40 kHz， 將40 kHz的脈沖頻率進(jìn)行模擬， 通過(guò)圖11發(fā)現(xiàn)， 40 kHz的脈沖頻率對(duì)混合效果的改善作用比50 kHz好。 也就是說(shuō)， 設(shè)置脈沖頻率與弓形激波特征頻率相同， 可以再次增強(qiáng)混合和燃燒效率， 以及提高射流穿透。

孫永鵬等［59-60］對(duì)超聲速條件下脈沖射流的混合過(guò)程進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)雷諾平均 （URANS） 模擬， 采用 SST k-ω湍流模型對(duì)脈沖射流的脈沖頻率和幅值進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 脈沖頻率為50 kHz能達(dá)到較好的混合效果， 且幅值的改變對(duì)混合過(guò)程的影響較為明顯。 隨著脈沖幅值的增大， 脈沖擾動(dòng)對(duì)射流的擾動(dòng)作用效果也增大， 氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的衰減速率越快， 混合效果隨之增強(qiáng)。

2.2脈沖射流的波形

對(duì)于脈沖射流的波形， 學(xué)者們除了對(duì)正弦波進(jìn)行研究， Sua等［61］、 Coussement等［62］、 Chen等［63］對(duì)方形波也進(jìn)行了研究。 Du等［64-65］采用RANS和SST k-ω湍流模型對(duì)射流與來(lái)流壓力比為10.29和25.15分別用三種不同周期（T₁=0.5×10^-5 s， T₂=1.0×1^0-5s和T₃=1.5×10^-5s）的正弦波與穩(wěn)態(tài)射流進(jìn)行對(duì)比， 研究結(jié)果為不同周期的脈沖射流都有利于混合過(guò)程， 特別是在射流與來(lái)流的壓力比較高的情況下， 在減少總壓損失和提高燃料穿透深度方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 頻率較高的T1脈沖射流性能最好， 并預(yù)測(cè)了脈沖射流混合增強(qiáng)機(jī)理的重點(diǎn)是通過(guò)間歇噴射將周?chē)拇罅靠諝夂喜⒌饺剂现行摹?除了研究正弦波對(duì)射流的影響， Du等還對(duì)三角形和正方形脈沖進(jìn)行了研究， 圖12顯示了穩(wěn)態(tài)射流和三種不同波形的脈沖射流（不同波形為射流與來(lái)流壓力比， 保持來(lái)流總壓不變， 改變射流的壓力）。 研究表明， 不同波形的脈沖射流都有利于提高橫向射流的混合效率， 脈沖射流中的不同脈沖波會(huì)產(chǎn)生不同的渦流結(jié)構(gòu)， 脈沖射流在減小總壓損失和混合長(zhǎng)度方面具有優(yōu)勢(shì)， 但不利于提高燃料的穿透深度。

Li等［66］將三角翼微小斜坡與脈沖相結(jié)合， 比較了三種不同壓力比下脈沖射流對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響， 研究結(jié)果表明， 在噴注壓比小的情況下， 脈沖射流的混合效率低于穩(wěn)態(tài)射流， 但當(dāng)噴注壓比17.72時(shí)， 脈沖射流的混合效果比穩(wěn)態(tài)射流好。

脈沖射流不僅對(duì)燃料的混合效率產(chǎn)生影響， 學(xué)者們還對(duì)脈沖射流的點(diǎn)火延遲時(shí)間及火焰穩(wěn)定進(jìn)行了研究。 He等［67］研究了在不同脈沖頻率的火焰自點(diǎn)火圖， 結(jié)果表明， 脈沖頻率為39 Hz的氫氣射流已經(jīng)開(kāi)始燃燒并且有明顯的火焰產(chǎn)生， 然而其他頻率的脈沖射流和穩(wěn)態(tài)射流都還沒(méi)有火焰產(chǎn)生， 這說(shuō)明頻率為39 Hz的脈沖射流能夠有效地縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間。 Tian等［68］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了脈沖射流對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?結(jié)果表明， 與穩(wěn)態(tài)射流條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程相比， 脈沖射流噴射有助于實(shí)現(xiàn)煤油點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。

3凹腔的研究進(jìn)展

3.1凹腔的分類(lèi)

在燃燒室的壁面開(kāi)設(shè)一個(gè)腔體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為凹腔， 凹腔通過(guò)聲學(xué)激勵(lì)來(lái)改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)而達(dá)到增強(qiáng)燃料混合的效果。 凹腔是理想的火焰穩(wěn)定器［69-70］， 但是其在燃料混合增強(qiáng)中發(fā)揮的作用也不可忽視。 Lawson等［71］、 Cai等［72］、 劉歐子等［73］都對(duì)凹腔進(jìn)行了綜述， 汪洪波［74］、 趙延輝［75］還對(duì)凹腔的流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究。

Stallings等［76］按剪切層通過(guò)凹腔的特征分為開(kāi)式凹腔、 過(guò)渡凹腔和閉式凹腔。 Guo等［77］也對(duì)凹腔進(jìn)行研究， 三種類(lèi)型凹腔結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易圖形， 如圖13所示。 圖13（a）前緣產(chǎn)生的剪切層跨度大， 幾乎可以跨過(guò)整個(gè)凹腔， 并延伸至凹腔的后向臺(tái)階， 凹腔內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)完整的回流區(qū)。 圖13（b）剪切層也跨越整個(gè)凹腔， 但剪切層中部向下凹并部分進(jìn)入凹腔； 回流區(qū)中部受剪切層壓迫而向兩邊部分?jǐn)U散。 圖13（c）剪切層沒(méi)有直接跨越凹腔， 而是在凹腔的中部附近向下凹陷并且某些點(diǎn)觸及凹腔底部， 形成兩個(gè)互不干擾的單獨(dú)回流區(qū)， 分布在凹腔的前向臺(tái)階下游及后向臺(tái)階上游。

除了對(duì)凹腔的長(zhǎng)深比（L/D）進(jìn)行研究和分類(lèi)外， Vahideh等［78］還對(duì)燃燒室的高度和凹腔深度比（H/D）進(jìn)行了研究， 研究結(jié)果顯示， 在固定長(zhǎng)深比情況下， 渦量隨H/D的減小而增大（D增大）。 因此， H/D=1產(chǎn)生的渦量最大， 但是H/D=1條件下， 凹腔上發(fā)生的強(qiáng)波和弱波的反射和干擾使流動(dòng)不穩(wěn)定， 盡管從渦量產(chǎn)生的角度來(lái)看， 所有方案中H/D=1顯示出最佳結(jié)果， 但H/D=2條件下的流動(dòng)是穩(wěn)定的， 更符合最佳結(jié)果。

3.2凹腔的幾何形狀

隨著對(duì)凹腔研究的深入， 學(xué)者們從多個(gè)方面對(duì)凹腔的幾何形狀和噴射方案進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究， 以尋求更優(yōu)的混合策略。

后緣突擴(kuò)凹腔是指凹腔的后向臺(tái)階高度低于前向臺(tái)階的高度。 Gruber等［79］最先對(duì)后緣突擴(kuò)凹腔進(jìn)行研究， 發(fā)現(xiàn)后緣突擴(kuò)凹腔對(duì)流場(chǎng)的波系結(jié)構(gòu)影響顯著。 后來(lái)， Yu等［80］對(duì)凹腔后向臺(tái)階的高度和噴射策略進(jìn)行對(duì)比研究， 圖14分別為正負(fù)后向臺(tái)階高度下氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。 研究表明， 當(dāng)后向臺(tái)階低于前向臺(tái)階時(shí)， 在凹腔前壁進(jìn)行噴射能使燃料在凹腔內(nèi)的分布比較均勻， 而后向臺(tái)階高于前向臺(tái)階時(shí)， 逆向噴射更加有利于燃料的混合。 總之， 主回流區(qū)強(qiáng)度的減弱有利于燃料的混合。 Cai等［81–83］、 Yang等［84-85］和Li等［86］也對(duì)后緣突擴(kuò)凹腔進(jìn)行研究， 研究表明后緣突擴(kuò)凹腔可以降低流量堵塞和總壓力損失， 能夠更好地緩解熱壅塞， 在火焰穩(wěn)定性上發(fā)揮著顯著的作用。

學(xué)者們對(duì)于凹腔的形狀也進(jìn)行了研究。 Kumaran等［87］研究了乙烯在沒(méi)有凹腔、 方形凹腔和梯形凹腔三種模型燃燒室結(jié)構(gòu)下的超聲速燃燒， 雖然方形凹腔和傾斜凹腔具有相同的深度， 但隨著傾斜凹腔長(zhǎng)度和后緣角度的增加， 燃料停留時(shí)間增加， 這將對(duì)超聲速燃燒的凹腔火焰保持產(chǎn)生積極影響。 Moradi等［88］也對(duì)圓形凹腔、 長(zhǎng)方形凹腔及梯形凹腔進(jìn)行對(duì)比研究。

Dai等［89］研究了一種帶有凹槽的串聯(lián)凹腔傾斜噴射系統(tǒng)以增強(qiáng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的混合。 圖15為帶有凹槽凹腔結(jié)構(gòu)示意圖， 模擬不同后緣角下有凹槽和無(wú)凹槽的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。 結(jié)果顯示， 帶凹槽的構(gòu)型產(chǎn)生更多流向渦流， 因?yàn)榘疾鄣膸缀螛?gòu)型增強(qiáng)了渦流和來(lái)流之間的剪切效應(yīng)。 雖然帶凹槽結(jié)構(gòu)燃料射流孔處的混合系數(shù)稍低， 但下游的燃料混合效果增強(qiáng)， 并逐漸超過(guò)無(wú)凹槽結(jié)構(gòu)。 此外， 凹槽型結(jié)構(gòu)在噴射角為30°時(shí)混合效果最好。

Roos等［90］對(duì)上游新月形凹腔的混合效果進(jìn)行研究， 不僅在凹腔的幾何構(gòu)型上進(jìn)行了大膽嘗試， 還將往常的凹腔置于射流孔下游換到上游進(jìn)行研究。 幾何構(gòu)型和噴射方案如圖16所示， 研究表明， 新月形凹腔可以顯著增強(qiáng)高超聲速超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流動(dòng)的混合， 在單孔燃料噴射的情況下， 可將混合效率提高22.6%， 而在帶有一個(gè)附加射流孔噴射時(shí)（圖16的射流孔1或射流孔2）， 混合效率可提高到90.1%。 Roos等［91］除了研究新月形凹腔的燃料混合增強(qiáng)， 還對(duì)上游新月形凹腔的燃燒特性進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 新月形凹腔也對(duì)燃燒性能的改善起著顯著的作用， 特別是使用雙孔噴射時(shí)的總壓損失與單孔噴射差不多， 但是燃燒效率提高114%， 放熱效率提高了143%。

3.3凹腔的噴注方式

除了對(duì)凹腔形狀的改變外， 還可以通過(guò)改變噴注策略來(lái)增強(qiáng)混合， 張巖等［92］對(duì)凹腔的噴注方案進(jìn)行了綜述。 Takahiro等［93-94］對(duì)射流孔與凹腔前緣距離對(duì)燃料混合的影響進(jìn)行研究， 結(jié)果表明， 在射流孔距離凹腔前緣最近的方案其混合性能較好， 但是， 此方案上方的流動(dòng)比較不穩(wěn)定。 后來(lái)， Takahiro等還研究了帶有凹腔雙孔射流中射流孔間的距離對(duì)混合效果的影響， 結(jié)果為孔間距較大的混合效果較好。 Zuo等［95］研究了斜激波干擾下噴注策略對(duì)乙烯射流混合性能的影響， 圖17為計(jì)算模型和射流噴射位置圖， 對(duì)噴射角為45°， 90°， 135°的單孔射流及噴射角為90°的雙孔射流進(jìn)行仿真。 分析表明， 雙孔射流中乙烯射流之間的相互作用促進(jìn)了混合過(guò)程， 并且在射流孔附近具有顯著的混合效果， 射流孔附近混合效率提高了約43.4%且135°乙烯噴射混合性能最好， 這是因?yàn)?35°噴射角向主流噴射的乙烯會(huì)導(dǎo)致射流與超聲速來(lái)流碰撞， 使乙烯與來(lái)流快速混合。

Song等［96］對(duì)不同噴射方案下乙烯燃料的混合和燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。 數(shù)值結(jié)果表明， 多孔結(jié)構(gòu)比單孔結(jié)構(gòu)具有更高的混合效率和燃燒效率。 此外， 在實(shí)驗(yàn)中還觀(guān)察到， 火焰的底座沒(méi)有穩(wěn)定在固定位置。 除了可以將射流孔從單孔變成多孔外， 還可以進(jìn)行多孔微射流噴注， Amirhossein等［97］對(duì)超聲速來(lái)流下凹腔內(nèi)單孔、 雙孔和三孔氫氣射流的噴注方式進(jìn)行了研究， 不同射流孔數(shù)量對(duì)凹腔內(nèi)混合的影響如圖18所示。 結(jié)果表明， 隨著射流孔數(shù)量的增加， 混合速率顯著提高， 三孔射流的主要影響是在凹腔內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)循環(huán)區(qū)， 氫在多股射流中的分布更加均勻。

3.4多凹腔及凹腔與其他混合增強(qiáng)方式組合

雖然凹腔既能增強(qiáng)混合又能穩(wěn)定火焰， 但是其作用效果還是有限的， 隨著學(xué)者們對(duì)混合增強(qiáng)技術(shù)研究的不斷深入， 單一凹腔的有限功能驅(qū)使著學(xué)者們不斷開(kāi)拓創(chuàng)新， 于是多凹腔及凹腔與其他混合增強(qiáng)方式的組合不斷被設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

多凹腔組合方式有凹腔的串聯(lián)與并聯(lián)， Quick等［98］對(duì)串聯(lián)凹腔進(jìn)行研究， 上游凹腔增強(qiáng)混合， 下游凹腔發(fā)揮火焰穩(wěn)定的作用， 結(jié)果表明， 串聯(lián)凹腔對(duì)燃燒室的性能起到了改善的作用。 高桂雲(yún)［99］對(duì)并聯(lián)凹腔上游氣態(tài)乙烯橫向射流的噴注混合及火焰穩(wěn)定與傳播過(guò)程進(jìn)行研究。 潘余［100］、 范周琴等［101］也對(duì)多凹腔的混合增強(qiáng)及燃燒性能進(jìn)行了研究， 圖19為串聯(lián)凹腔和并聯(lián)凹腔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

2020年， Li等［102］對(duì)多凹腔混合增強(qiáng)效果進(jìn)行研究， 研究凹腔的個(gè)數(shù)、 長(zhǎng)深比及射流孔數(shù)對(duì)混合增強(qiáng)的影響， 分析得到的結(jié)論為， 增加凹腔深度可以提高射流下游的混合速率， 射流孔數(shù)量和射流空間的增加都能顯著提高射流下游的混合。

Li等［103］對(duì)燃燒室凹腔上游延伸支板對(duì)燃料混合效率的影響進(jìn)行了全面研究， 研究了多股射流在不同方向進(jìn)行噴射的氫氣分布， 如圖20所示。 分析表明， 凹腔內(nèi)部存在兩種循環(huán)。 第一個(gè)循環(huán)是主循環(huán)， 靠近傾斜表面， 第二個(gè)循環(huán)在支板下方靠近垂直壁處產(chǎn)生。 支板延伸到凹腔的一半會(huì)降低主循環(huán)的功率， 混合區(qū)受到限制， 但是增加自由流馬赫數(shù)會(huì)加強(qiáng)支板后面的尾流， 這會(huì)增強(qiáng)凹腔內(nèi)的燃料混合。

Li等［104］將激波發(fā)生器與凹腔結(jié)合， 結(jié)果表明， 楔形激波發(fā)生器的存在降低了凹腔內(nèi)的溫度并增強(qiáng)了燃料混合速率。 圖21展示了對(duì)稱(chēng)平面區(qū)域的溫度云圖， 可以看到激波發(fā)生器對(duì)凹腔溫度變化的影響， 證實(shí)了斜激波的強(qiáng)度隨著楔形激波發(fā)生器角度的增大而放大。 此外， 由于斜激波的增強(qiáng)， 自由流對(duì)凹腔的夾帶增加， 因此， 凹腔的溫度下降。 還注意到， 當(dāng)激波角度增加時(shí)， 出口溫度增加； 主循環(huán)的溫度隨著激波角的增加而降低； 二次循環(huán)的強(qiáng)度隨著激波角的增加而減弱。

Zuo等［105］也將凹腔與楔形斜坡進(jìn)行組合， 通過(guò)數(shù)值分析表明， 斜坡的混合效率存在最佳角度， 最佳角度隨著射流與來(lái)流壓力比的增加而減?。?一定范圍內(nèi)的斜激波有利于提高乙烯的穿透深度， 斜坡的較小角度不會(huì)造成較大的滯止壓力損失。 圖22顯示了對(duì)稱(chēng)平面上的乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和流線(xiàn)。 不同的斜激波角對(duì)應(yīng)于不同的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。 射流與斜激波的相互作用有助于乙烯的擴(kuò)散， 這意味著乙烯和空氣之間的混合更加有效。 斜激波將導(dǎo)致乙烯濃度在流動(dòng)方向上更加快速得降低。 對(duì)稱(chēng)平面上的流線(xiàn)表明， 在斜激波干擾下， 凹腔再循環(huán)區(qū)的核心位于凹腔內(nèi)部較深的位置， 這表明凹腔內(nèi)部的剪切層較深。 此外， 當(dāng)斜激波碰撞燃料射流時(shí)， 燃料射流更靠近凹腔， 使更多的燃料輸送到凹腔。 因此， 在斜激波存在下， 乙烯和空氣的混合效率更高。

Kireeti等［106］采用二維RANS方程和SST k-ω湍流模型， 比較了兩個(gè)串聯(lián)凹腔與三個(gè)支板和四個(gè)支板組合的流場(chǎng)特性。 多支板燃燒室的混合性能通過(guò)燃燒室的靜溫來(lái)反映， 而燃燒性能通過(guò)消耗的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)反映。 與三個(gè)支板相比， 因四支板噴射系統(tǒng)在燃燒室的中部消耗的氧氣量大， 所以四支板噴射系統(tǒng)中射流孔附近的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較三支板噴射系統(tǒng)低， 增加了燃料的停留時(shí)間和火焰穩(wěn)定性， 以實(shí)現(xiàn)更好的燃燒。 圖23所示為兩個(gè)噴射系統(tǒng)的靜溫云圖， 燃燒室出口處溫度高能使空氣和燃料得到充分混合， 從圖23中可以明顯看出四支板噴射系統(tǒng)下的出口溫度更高， 這是由于此策略下會(huì)產(chǎn)生更多的再循環(huán)區(qū)域和渦流并增強(qiáng)激波間的相互作用（激波-剪切層、 激波-邊界層）， 燃料的混合更好， 燃燒強(qiáng)度增加， 從而改善了燃燒。 四支板噴射系統(tǒng)的燃料混合性能和火焰穩(wěn)定性比三支板噴射系統(tǒng)好。

4總結(jié)

混合增強(qiáng)的目標(biāo)是增強(qiáng)燃料的穿透度和混合效率，? 并減小其總壓損失和局部熱負(fù)荷。 本文主要對(duì)于混合增強(qiáng)方法中典型主動(dòng)混合增強(qiáng)方法和被動(dòng)混合增強(qiáng)方法進(jìn)行介紹， 主動(dòng)混合增強(qiáng)方法介紹了脈沖射流， 被動(dòng)混合增強(qiáng)方法主要介紹了橫向射流及凹腔。 得出以下結(jié)論：

（1） 橫向射流的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 阻力小， 其混合機(jī)理是超聲速來(lái)流與燃料射流相互作用下產(chǎn)生軸向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)等結(jié)構(gòu)。 影響橫向射流混合增強(qiáng)效果的因素有射流出口的幾何結(jié)構(gòu)、 射流噴口的數(shù)量、 來(lái)流與射流的壓力比、 射流角度等。 橫向射流在保持穩(wěn)定性及總壓恢復(fù)系數(shù)較好的情況下， 可以用多孔及同軸噴射的噴射策略來(lái)增強(qiáng)混合。 未來(lái)的研究可以考慮尋求一種衡量標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)噴射策略進(jìn)行整體考慮， 如將混合增強(qiáng)效果與總壓損失等多方面進(jìn)行考慮， 獲得對(duì)整體的效果的評(píng)價(jià)。

（2） 脈沖射流通過(guò)在橫向射流的基礎(chǔ)上施加脈沖激勵(lì)來(lái)增大來(lái)流與射流的接觸面積， 以達(dá)到增強(qiáng)混合的目的， 影響脈沖射流的混合效果的因素主要有脈沖頻率、 脈沖幅值、 脈沖波形等。 只有在有效脈沖頻率范圍內(nèi)， 脈沖射流才能夠發(fā)揮增強(qiáng)混合的作用， 脈沖頻率過(guò)低或者過(guò)高都會(huì)使脈沖射流流場(chǎng)趨于穩(wěn)態(tài)射流， 達(dá)不到增強(qiáng)混合的效果。 混合效果與幅值呈正相關(guān)關(guān)系， 即隨著幅值的增加而增加。 現(xiàn)在只能在一定范圍內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真得出所選用的脈沖頻率的最優(yōu)值， 不能得出頻率的最優(yōu)值， 而最優(yōu)脈沖頻率與弓形激波、 射流剪切層和筒狀激波等有關(guān)， 后面對(duì)脈沖射流的研究可以考慮研究最優(yōu)脈沖頻率與流場(chǎng)的關(guān)系。

（3） 凹腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 阻力小， 通過(guò)聲學(xué)激勵(lì)的作用， 既能增強(qiáng)混合效果， 又能穩(wěn)定火焰， 是設(shè)計(jì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室時(shí)經(jīng)常被用到的構(gòu)型。 影響凹腔混合作用效果的主要因素有射流孔與凹腔的距離、 射流孔的位置、 凹腔的幾何結(jié)構(gòu)等。 后面對(duì)單一凹腔的研究主要是考慮凹腔的幾何結(jié)構(gòu)， 探索混合增強(qiáng)效果和火焰穩(wěn)定效果良好的凹腔。 凹腔與其他混合增強(qiáng)方式的組合將是未來(lái)凹腔的重要運(yùn)用方式。

對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的混合增強(qiáng)方式未來(lái)的發(fā)展方向重點(diǎn)之一將會(huì)是多種混合增強(qiáng)方式的組合。 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在投入使用需要考慮燃燒穩(wěn)定、 總壓恢復(fù)系數(shù)、 重量、 熱防護(hù)等多方面問(wèn)題， 因此， 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展仍需面臨眾多挑戰(zhàn)。

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Typical Mixing Enhancement Approaches in Supersonic Crossflow

Zhou Yanmei， Wu Jiping， Huang Wei

（Science and Technology on Scramjet Laboratory， College of Aerospace Science and Engineering，

National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Scramjet refers to air entering the combustion chamber at supersonic speed and then mixing and burning with fuel. However， in the condition of such a fast flow speed， it is difficult to achieve full mixing and stable combustion of fuel and air. The previous condition of stable combustion is the full mixing of fuel and air. Therefore， the study of mixing enhancement plays an important role in the development of scramjet engines. Many scholars at home and abroad continue to study and propose mixing enhancement methods to solve the problem of full mixing of fuel and air. This paper mainly summarizes the research progress of transverse injection， pulsed injection and cavity in the mixing enhancement approaches， and puts forward prospects for future development.

Key words： scramjet； mixing enhancement； transverse injection； pulsed injection； cavity