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。　　　　BurnesR等人研究发现，发生在凹腔内部的非稳态压力振荡会诱发大尺度拟序结构，这些大尺度结构以一定的频率从凹腔后缘脱落，有助于增强可压缩流中燃料与空气的掺混。Nenmeni等人研究了来流马赫数为2的冷流中不同来流总压和不同凹腔结构对凹腔流场的影响，结果发现凹腔内的主要振荡频率与来流总压有关，凹腔结构变化不会削弱或消除流动所诱发的凹腔共振机制。GruberMarkR等人通过试验和二维数值仿真研究了在来流马赫数为3的工况下不同结构开式凹腔的冷流特性。结果显示，随着凹腔后壁倾角的减小，流场变得更加稳定，凹腔阻力系数变大，凹腔内流动的驻留时间缩短。Baurie等人应用大涡模拟的方法，模拟出超声速燃烧室中凹腔流动具有大尺度非稳态特性，并得出减小凹腔后壁倾角会导致凹腔内外质量交换速率的下降以及凹腔内流动驻留时间增加的结论。不难发现，Baurie与Gruber关于凹腔后壁倾角对凹腔内流动驻留时间影响的研究结果恰好相反。HsuK-Y等人在来流马赫数为2的冷流中，研究了由凹腔上游壁面喷孔倾斜喷注燃料的时间平均分布规律，结果发现，凹腔剪切层中燃料的分布以及凹腔剪切层与凹腔后壁的相互作用是控制燃料向凹腔内传输的主要因素；外加反压引起的激波串会导致凹腔上游边界层分离上抬，减少进入凹腔的燃料质量。他们建议应将燃料直接送入凹腔，以消除凹腔上游边界层上抬所导致的燃料不易向凹腔内输运的问题。Faure通过数值模拟研究了燃料喷注位置与凹腔构型对掺混和燃烧性能的影响。研究针对开式凹腔且燃料喷嘴单孔30°顺流斜喷的三种构型展开，结果显示将喷嘴位置由距离凹腔前缘1.5倍凹腔深度前移至3倍，不仅增强了掺混效率，还减小了燃烧室总压损失。　　　　虽然凹腔没有物理的侵入结构，总压损失小，但却容易使得燃料集聚在壁面剪切层中，造成较大的壁面热流。此外，凹腔结构参数、燃料喷注形式以及燃料喷嘴与凹腔相对位置等参数对凹腔的掺混增强特性影响很大，但凹腔增强掺混和稳定火焰的机理还未完全认识清楚，并且由于不同研究者在研究方法或条件上的差异，在研究同一问题时得出了相反的结论。因此，有必要针对其中的一些问题开展深入细致的研究。　　　　2.2 后向台阶　　　　后向台阶也是目前超燃冲压发动机中研究较多的火焰稳定器，其增进掺混的机理是自激振荡。Gutmark等进行了后台阶顶部平行主流方向喷射燃料的试验，结果显示，这种燃料喷注方式大大促进了掺混层的增长，提高了掺混效率。Kareem进行了后台阶结合微型喷嘴的试验研究，他将一排直径为0.4mm的微型喷嘴布置于后台阶上游，燃料通过喷嘴垂直主流喷入，通过纹影和粒子追踪图像（PIV）研究了剪切层的发展过程，结果显示该种喷注方式可以有效地减小总压损失，增加剪切层厚度，并增进掺混。　　　　3 引入横向曲率的掺混增强技术　　　　很早就有学者开展了向超声速气流中横向注入气体喷流的研究。早期的研究主要集中在超声速飞行器的气动控制方面。近些年来，基于超声速燃烧技术的发展需要，人们对超声速燃烧室中燃料横向喷注的有关问题开展了大量研究，普遍认为横向喷流增进燃料掺混的机理是横向曲率。　　　　图3给出了欠膨胀喷流垂直喷入超声速气流中的流场结构示意图。喷入超声速气流中的横向喷流对来流形成阻碍，导致在喷口上游形成弓形激波，同时沿壁面的逆压梯度也容易引起壁面边界层分离并形成分离激波，分离激波与弓形激波相交形成形如“λ”的激波，可称为λ激波。在喷口上游附近壁面，由于边界层分离，会形成回流区；而在喷口下游附近壁面，由于喷流的引射以及来流相对于喷流的绕流，也会形成回流区。　　　　　　　　为了增强横向喷流与来流的掺混，喷流在来流中的穿透度必须足够大。在喷口附近区域，由于激波与边界层的相互作用，导致该区域的压力场十分复杂。为此，Schetz等人提出了针对横向喷流场的有效反压概念，所谓有效反压类似于喷流喷入静止大气中时的大气环境压力。当边界层厚度小于喷口直径时，他假定有效反压等于来流经过正激波后的总压的一半；当边界层厚度大a）高频脉动激励装置于喷口直径时，他假定有效反压等于喷流上游分离区内的静压的一半。他们研究得出喷流穿透度主要由喷流与来流的动压之比J决定。当J值较大时，通过喷流出口静压与有效反压的匹配将有效提高喷流的穿透度，这比单方面加大喷流出口静压来提高喷流穿透度的效果更好。Orth等人取有效反压为弓形激波后来流总压的三分之二，发现对于确定的J值，当喷流出口静压大于有效反压时，再增加喷流出口静压对喷流穿透度的增加作用不大。Billig等人研究发现，当喷流流量不变时，增加喷流出口静压对喷流的穿透度影响不大。　　　　Everett等人利用压力敏感漆技术，测量了声速射流横向喷入来流马赫数为1.6的气流中时，喷口所在壁面上的压力分布。研究发现，喷口上游的最大静压以及喷口下游低压区的整体尺度和沿流向的范围会随J值的增加而增加；喷口上游周沿上的压力随J值的增加而增加，而喷口周沿上其它区域的压力与J值无关，沿喷口周沿的平均压力会随J值的增加而略有增加。　　　　为减小横向喷流所引起的来流总压损失，Fuller等人对倾斜喷流（喷流与来流方向的夹角为锐角，这样可减弱喷流所引起的弓形激波的强度，从而减小来流的总压损失）的掺混特性进行了研究，结果显示，随着喷流与来流方向夹角的增大，喷流与来流的近场掺混效率会提高，而远场掺混效率相差不多。　　　　4 主动掺混增强技术　　　　近年来，一些增强掺混的主动控制技术逐渐受到了关注。图4显示了几种常见的主动控制装置的示意图。　　　　Cattafesta等用压电共振器在低马赫数的条件下对凹腔声振现象进行了主动控制，并对凹腔流动的各种主动控制技术作了综述性介绍。Wiltse和Glezer也用压电共振器来控制自由剪切层的发展。Solomon设计了一种微型激励装置用于产生高频脉动的射流，试验结果显示在相同喷射压力下，这种脉冲喷嘴比稳态喷嘴的掺混效果更好。Kou-chi通过高速脉动阀门和声速喷嘴向马赫数2的超声速流场中脉动喷射氦气，试验结果显示，对同一喷注压力值，当其处于脉动压力上升阶段时氦气的穿透深度大于下降阶段；通过脉动模式与稳态模式比较发现，脉动模式喷嘴附近流场的涡尺寸大于稳态模式。Venkateswaran等人将脉动的等离子发生器应用于来流为马赫数3的超声速流场，试验结果表明，等离子脉动喷嘴可以形成足够强的流体脉动用于超声速流动的激励，喷嘴射流穿透深度约为1.5倍当地边界层厚度，当脉动频率过快，达到5kHz时会出现熄火现象。　　　　　　　　5 结束语　　　　燃料与超声速空气主流掺混的目标是掺混效率最大化和总压损失最小化。对于超燃燃料喷注器来说，不仅关心其掺混效果，同时还需考虑其气动阻力和稳焰性能，只有这三个方面的综合性能达到要求才能被应用于超燃冲压发动机。一般来说，在低马赫数飞行工况下（马赫数小于5）,由于来流总温较低，如何实现燃料点火和火焰稳定是主要问题，因此，应采用能在流场中形成利于稳定火焰的亚声速区和滞止点的燃料喷注方式，比如凹腔、支板和后台阶等；而在高飞行马赫数时（马赫数大于8）,来流总温很高，为了避免离解损失，允许加入的热量已经相当有限，此时主要问题是如何避免过高的总压和摩擦损失，因此，不宜采用对流场干扰过大的燃料喷注方案，凹腔、气动斜坡以及其它对流场干扰较小的主动掺混技术将有较大应用优势。目前，耦合了支板/塔式结构的凹腔构型是掺混增强装置的主流发展方向，其综合性能基本能满足飞行马赫数3~8的工程实用要求，研究难点主要在于如何降低侵入结构所引入的总压损失。此外，基于各种大尺度强迫激励的主动掺混增强技术也是掺混增强技术的热门研究方向。