燃料喷注与掺混技术的工作机制和研究进展

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燃料喷注与掺混技术的工作机制和研究进展

常见的掺混增强技术项目掺混装置掺混机理被动式掺混增强 1物理斜坡流向涡 2气动斜坡流向

涡3支板流向涡 4塔式结构流向涡 5旋转射流旋流 6激波/边界层作用大尺度激励引言超燃冲压

发动机来流速度很快，燃料的驻留时间往往在毫秒级，对于液体碳氢燃料，还要考虑液滴破

碎、雾化和蒸发过程，这些都增加了燃料实现完全化学反应所需要的时间和燃烧室长度。受发

动机结构、质量等条件限制，燃烧室的长度不可能很长，因此，很难实现燃料与来流的完全掺

混。超声速燃烧一般为扩散火焰，掺混效果直接决定了燃烧室的燃烧性能。因此，燃料的喷注

与掺混技术一直是超燃冲压发动机研究中的关键技术。

对于超声速流场，由于可压缩剪切层的存在，流体之间的掺混速度相对于相同速度比的不可压

流要慢得多，并且燃料的添加会造成较大的总压损失。因此，超燃冲压发动机的燃料喷注系统

必须既能实现燃料与氧化剂宏观尺度的快速掺混，又满足气动阻力与总压损失足够小。另外，

喷注器还要能控制由于热释放而形成的压力上升。为了实现燃料的快速掺混，国外学者提出了

各种掺混增强技术，大致可分为两类：被动式掺混增强技术和主动式掺混增强技术。下表列出

了常见的掺混增强技术及其所对应的物理机制。

1 基于流向涡的掺混增强技术.

在可压缩剪切层中，流向涡受可压缩效应的影响比较小，通过引入和增强流向涡，将有助于增

强掺混。下面介绍几种基于流向涡机理增强掺混的具体方法：

1.1 物理斜坡

物理斜坡是超燃燃烧室中一种增强掺混的有效装置。在斜坡的边缘能生成脱落涡，在斜坡的底

部能形成分离回流区。流经斜坡的来流在斜坡下游会产生一对反向旋转的流向涡，而由斜坡底

部喷出的燃料正好进入这对流向涡中。流向涡卷吸位于旋涡中心的燃料，导致来流与燃料发生

强烈掺混。斜坡产生的激波在对面室壁上反射后会打到燃料涡结构上，可能导致涡破裂，同时

激波与燃料柱相交产生的斜压作用也会诱发流向涡。

FoxJS 等人在自由活塞激波风洞中研究了城堡型、平板型、后掠压缩-膨胀斜坡和非后掠压缩-

膨胀斜坡四种燃料喷注器的掺混特性，研究认为，喷注器结构诱导的涡结构和强度决定了掺混

效率。HaltfieldRJ 等人对后掠斜坡喷注器的研究显示，近场掺混由斜坡产生的流向涡所主导，

而在斜坡下游，远场掺混由流向涡主导转变为由湍流主导。Abdel-salamTM 等人利用数值模拟

得出结论，增加斜坡后掠角能够增大掺混效率，而增加来流马赫数将导致掺混效率降低。

试验和数值仿真研究显示物理斜坡也存在一些不足之处。首先，由于物理斜坡通常要侵入流

场，因而会产生较大的总压损失和阻力；其次，物理斜坡表面会产生很高的热负荷，对材料的

耐热性提出了较高要求，尤其是斜坡的尖锐边缘在高温环境中很容易烧蚀破坏。由于物理斜坡

的掺混增强和火焰稳定效果高度依赖其几何结构，一旦几何结构遭到破坏，物理斜坡的掺混增

强效果将被大大削弱。因此，近年来对物理斜坡的研究逐渐为气动斜坡所取代。

1.2 气动斜坡

气动斜坡的概念源于物理斜坡，它通过合理布置壁面燃料喷孔的阵列，依靠阵列燃料喷流对来

流的阻碍抬升作用，形成类似物理斜坡的掺混增强效果。气动斜坡喷注的优点是没有侵入来流

的物理结构，同时兼具了斜压作用诱导生成附加涡以及激波诱导涡破裂等增强掺混的优势。图

1 显示了常见的九孔和四孔气动斜坡构型的示意图。

1994 年，Cox 等人最早提出了气动斜坡的概念，并通过试验和数值仿真研究了九孔气动斜坡喷

嘴不同展向间距、侧偏角、横向喷射角度、动压比等参数对燃料掺混性能的影响，结果发现展

向间距和侧偏角都不是气动斜坡形成强流向涡所必需的条件，并且较小的展向间距和侧偏角有

利于减小总压损失。Fuller 在马赫数 2流场中研究了九孔气动斜坡的性质，并与物理斜坡作了

比较，发现在动压比相同时，气动斜坡的近场掺混效率优于物理斜坡，但其远场掺混效率则不

如物理斜坡；增加气动斜坡喷嘴动压比可以使其远场掺混效果接近物理斜坡，并且随着动压比

的增加，物理斜坡掺混效率下降，气动斜坡掺混效率上升。Jacobs-en 在研究了九孔气动斜坡的

流场结构后，提出了结构上更简便的四孔气动斜坡。他去除了中间喷孔，并加大了剩余喷孔的

内偏角，以利于流向涡的形成，并且采用等离子点火器辅助点火。

1.3 支板

通过插入来流中心的支板可实现在超声速来流中心喷注燃料。支板流场的最大特征是在其底部

存在一个稳定的回流区，该回流区将燃料与空气卷入其中实现低速掺混，并在一定程度上起到

了火焰稳定的作用。尾流区中的大尺度结构和支板前缘激波还有助于增强掺混。

Desikan 等人研究发现支板尾部的高度和宽度是影响掺混的重要因素。Tetsuji 等人在来流马赫

数2.5 的反应流中研究了 5种支板喷注器的掺混特性，结果显示交互楔入的支板能通过产生流

向涡来增强掺混。Mat-thew 研究了 5种支板构型的流场特性，结果显示支板高度减小将导致总

压损失和燃烧区大小的减小，支板宽度减小会导致总压损失降低，但掺混效率上升。

支板喷注器在超燃冲压发动机中应用广泛，特别对于大尺寸的燃烧室，必须通过支板将燃料由

流场中心喷入主流，以满足下游燃烧流场的均匀性要求。但是支板也有其不足之处：直接暴露

于高温高速的气流中，导致燃烧室内阻力和总压损失大，并且支板自身的冷却和热防护需借助

于先进的耐高温复合材料。因此，支板不太适宜飞行马赫数大于 7 的来流工况。

1.4 塔式结构

为了减少支板结构带来的总压损失，Livingston 等人提出了一种塔式结构的掺混增强方案。塔

式结构增强掺混的机理与效果和支板非常类似，但其尺寸更小，引起的总压损失更小。塔式结

构最早是被布置在远离燃烧室入口的进气道中向超声速气流中喷注燃料，Gilinsky 和Akyurtlu

等人采用试验和仿真的方法对安装有多个塔式结构的进气道进行了研究，结果表明塔式结构可

以明显提高燃料/空气预混气体的掺混效果，并且还可以避免进气道边界层中可燃预混气体在

进入燃烧室前就发生反应。后来，研究者将塔式结构安装在燃料喷口的正前方。由于塔式结构

的屏障作用，喷入燃烧室的燃料射流不会立即与超声速来流相接触，从而使得燃料在进入燃烧

区域之前有更长的雾化、蒸发和掺混时间。Owens 和Gouskov 等人的研究表明，与普通的壁面

喷注方案相比，添加了塔式结构以后，不仅燃料的穿透深度明显增加，而且只有极少量的燃料

停留在近壁面区域。目前，研究的热点主要集中在塔式结构与凹腔之间相互耦合对燃烧室燃烧

性能的影响上。GruberMarkR 和CarterCampbellD 比较了三种不同的塔式结构对掺混效果的影

响。塔式结构被安装在喷注点的上游，喷注点之后安装有凹腔。研究结果表明，与不安装塔式

结构的构型相比，三种方案都明显提高了燃料的穿透深度，并且减少了停留在近壁面的燃料

量，但掺混效率和总压损失却没有明显的变化。AndrewBFreeborn 等人发现在凹腔上游布置塔

式结构可以使得燃烧产物经由塔式结构后缘的低压区域进入超声速主流，并使通过凹腔的气流

流量增加了大约两倍，从而大大提高了凹腔与主流的质量交换律。

2 激励自由剪切层的掺混增强技术

2.1 凹腔

作为目前应用最普遍的超燃火焰稳定装置，凹腔的掺混增强机理获得了大量的研究。凹腔流动

特性涉及剪切层、压缩或膨胀波、流体与声学的相互作用等多方面问题。图2为超声速气流在

流经凹腔时的流场结构示意图，由于凹腔内部气流流速较低，凹腔内外流体之间将形成凹腔剪

切层，剪切层从凹腔前缘分离并在下游某处再附。根据凹腔的长深比L/D,可将凹腔分为两大

类。

L/D 小于 10 的凹腔称为开式凹腔，其剪切层再附于凹腔后壁上，凹腔的阻力较小，凹腔内外的

质量交换率也较小。相应的，L/D 大于 10 被称为闭式凹腔，其剪切层再附于凹腔底壁上，凹腔

的阻力较大。Stallings 的研究表明，闭式凹腔没有声学振荡，而开式凹腔存在强烈的声学自激

振荡，凹腔内的气体密度、速度和压力会出现周期性的振荡，并导致剪切层的不稳定性增加。

这种声学振荡是凹腔增进掺混的主要手段。

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燃料喷注与掺混技术的工作机制和研究进展常见的掺混增强技术项目掺混装置掺混机理被动式掺混增强1物理斜坡流向涡2气动斜坡流向涡3支板流向涡4塔式结构流向涡5旋转射流旋流6激波/边界层作用大尺度激励引言超燃冲压发动机来流速度很快，燃料的驻留时间往往在毫秒级，对于液体碳氢燃料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，这些都增加了燃料实现完全化学反应所需要的时间和燃烧室长度。受发动机结构、质量等条件限制，燃烧室的长度不可能很长，因此，很难实现燃料与来流的完全掺混。超声速燃烧一般为扩散火焰，掺混效果直接决定了燃烧室的燃烧性能。因此，燃料的喷注与掺混技术一直是超燃冲压发动机研究中的关键技术。对于超声速流场，由于可...

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