壁面孔型对超声速气流中喷注特性的影响

蔡锋娟，张 玫，张蒙正

（西安航天动力研究所,陕西西安710100）

壁面孔型对超声速气流中喷注特性的影响

蔡锋娟，张 玫，张蒙正

（西安航天动力研究所,陕西西安710100）

超声速气流中，燃料与来流空气的高效混合是燃烧室实现点火、稳焰及高效燃烧组织的前提。国内外研究者已对比研究了不同壁面孔型对超声速气流中喷注、混合特性的影响，相比于最常见的圆形喷孔，菱形、楔形-半圆、箭形及针形等喷孔用于超声速气流燃料喷注时，不仅有利于降低喷孔前缘边界层的分离，而且也有利于提升射流穿透深度；相比于单孔喷注，组合型喷孔能进一步增强燃料与来流空气在射流远场的混合效果。通过综述各型喷孔的喷注特性，分析提出了适用于超声速燃烧组织的壁面喷注孔型及其工程应用条件。

超声速气流；壁面孔型；喷注特性

0 引言

超声速气流中，燃料在燃烧室中的停留时间为毫秒量级，燃料与来流空气的混合扩散过程相对较慢，如何在尽可能短的时间内促进、增强燃料与空气混合是超声速燃烧组织面临的一大难题。支板喷注方式可以有效将燃料带入主流，使其较为均匀的散布于超声速气流中，在短距离内与来流气体完成高效混合与燃烧。但缺点在于：发动机长时间工作时，需要考虑支板的热防护问题；同时，支板对主流的阻碍、扰动作用大，会产生较大的总压损失。壁面喷注方式结构简单、总压损失小、不存在热防护问题，备受国内外研究者青睐，但需重点解决燃料在超声速气流中的穿透深度问题。本文依据超声速气流中射流雾化特点，重点综述了不同构型的壁面喷孔喷注特性，在此基础上分析提出了适用于超声速燃烧组织的壁面喷注孔型及其工程应用条件。

1 超声速气流中各种壁面喷注的特性

图1给出了超声速气流中液体射流破碎过程的物理示意图[1]。

射流垂直进入超声速气流产生弓形激波H，射流根部出现分离激波J。气动力作用下射流在A区向下游弯曲，自当地声速点G开始破碎。射流首先在B区破碎成较大不规则液块，进入C区后进一步破碎成较小的液块，最后在D区雾化成细小的球形液滴，射流在破碎和雾化过程中扩散范围逐渐增大。射流表面存在表面波I，波幅沿流向增大，表面波加速了射流的破碎和雾化[1]。

在射流破碎过程中，射流穿透深度是评估超声速气流中液体射流喷注混合特性的主要参数，射流与横向超声速来流的动量比决定着射流穿透深度的大小。针对超声速气流中不同构型的壁面喷孔喷注特性，国内外研究者已开展了大量研究工作。

1.1 圆形壁面喷孔

圆形喷孔是一种常见的壁面喷注形式，当射流经过该喷孔垂直进入超声速主流时，射流前缘将形成一道较强的脱体激波，对主流的扰动及其阻塞作用均较强，由此会产生一定程度的总压损失。

文献 [3]研究结果表明：对于圆形喷孔，射流穿透深度随动压比的增加而增加，当动压比从1.55提升到6.48时，距喷孔下游90 mm处的穿透深度仅从4.9 mm增加到6.2 mm。仅仅依靠提高动压比来增大圆形喷孔的穿透深度，效果非常有限，但由此诱导出的高强度弓形激波将引起更大的总压损失，反而得不偿失。鉴于此，很多研究者拟通过喷孔结构设计，改变喷孔周围的局部流动和激波结构来提升穿透深度。

1.2 菱形壁面喷孔

文献 [4]采用氢气作为喷注介质，对比研究了圆形喷孔和菱形喷孔在超声速气流中气动特性、穿透深度等差异性。结果表明：1） 距离喷孔下游40 mm截面上，2种结构产生的射流在超声速主流中的氢气分布都呈现出类似于半椭圆的形状，不同的是采用菱形孔时，射流前的激波强度减弱，总压损失降低，使得氢气沿着高度方向扩散更明显，在短时间内能够扩散到燃烧室中部以上；2）在距离喷孔下游140 mm的截面上，两者对应的氢气分布呈现出较大差异，其中，菱形孔对应氢气分布呈现出较完整的椭圆结构，氢气质量分数核心区已上升到燃烧室高度3/4处，圆孔喷射对应氢气分布呈现出上窄下宽的“瓜子"形结构，氢气质量分数核心区仅上升到燃烧室高度1/2处。

1.3 楔形-半圆壁面喷孔

文献 [5]和文献 [6]中提出了一种“楔形－半圆”构型的壁面喷孔，如图2所示。研究中采用氦气模拟燃料介质，在相同主流条件下（Ma=3），对比研究了该构型与圆形喷孔（d=3.45 mm） 在超声速气流中喷注特性的差异。

结果表明：1） 与圆形孔相比，“楔形－半圆”喷孔能降低喷孔前缘边界层的分离，该结论在文献 [7]中也得到了验证；2） “楔形－半圆”喷孔在超声速气流中对应的穿透深度较大，射流在向下游发展过程中，穿透深度增长速率也较快；3）相比于圆形喷孔，“楔形－半圆”喷孔产生的射流在向下游发展过程中，对应的射流横截面积增长率较大，有利于改善燃料与主流的掺混性能。

1.4 箭形壁面喷孔

文献 [7]提出了如图3所示的箭形喷孔，将该结构应用于燃料喷注时，喷孔后部易形成一个较大的低压区，进而诱导出强回流区，有利于火焰稳定。

图4给出了喷孔下游某截面对应的喷注介质摩尔分数分布曲线，可以看出：相比于圆形喷孔，箭形孔穿透距离较远，两者的最大摩尔分数值相当，即羽流扩散程度相差较小。

从1.1～1.4节的论述中可以看出，与前部钝缘结构的圆形喷孔相比，不管是菱形、楔形-半圆还是箭形喷孔，这类前部为锐缘构型的喷孔有利于提升射流穿透深度。分析机理认为：前部锐缘型喷孔产生的射流在超声速主流中，前端形成的是附体激波，在射流面积相同的前提下，附体激波后气流压升低，阻力小，进而对应的射流穿透深度较大。

在优选前端锐缘构型的喷孔后，文献 [7]进一步研究了不同锐缘角度对射流穿透深度的影响。结果表明：前缘角度越小，对主流的扰动越小，穿透深度越大。在此研究基础上，保证穿透深度的前提下，为进一步降低射流对主流的扰动，K.Hirano等人提出了如图5所示的针形喷孔结构。

1.5 针形壁面喷孔

在相同喷孔面积和喷注流量下，与圆形喷孔相比，针形孔展示出更好的穿透性能和混合性能，尤其在靠近喷注面区域内，穿透深度增长速率非常快。文献 [8]对针形孔在超声速燃烧室中的燃烧性能也进行了深入研究，结果表明：与圆形喷孔相比，针形孔对应的燃料空气掺混性能好，燃烧室燃烧效率高。此外，针形孔出口射流对主流扰动小，有效阻止了喷孔周边的边界层分离，使得燃料燃烧过程中没有在喷孔周边产生较强的过热痕迹，如图6所示。

1.6 组合型壁面喷孔

基于单个圆形喷孔射流喷注特性研究，文献[9]对比了单股射流和多股射流喷注在穿透深度方面的差异性。结果表明：Ma=2.72来流条件下，相同截面上多股射流比单股射流的穿透深度提升了20%左右。在多股圆形喷孔射流的发展理念基础上，提出了不同类型的组合型喷孔，其中，美国Aerojet公司研究设计的叶栅式喷注器具有很大优势，其喷孔构型如图7所示，沿来流方向布置一组长度不变、宽度逐渐增加的矩形喷孔，由此形成一定角度的楔形面结构[10]。该喷孔利用分级喷注的原理，改变激波结构，每级射流穿透深度呈阶梯式、逐级增大的发展趋势（图8），喷注压力提高，穿透深度增幅明显（图9）[11～13]。

2 壁面喷注的应用分析

通过以上综述可以看出，将最常见的圆形喷孔用于超声速气流中燃料喷注时，射流前缘会形成一道较强的脱体激波，分离区较大，仅通过提高动压比的方式来增大射流穿透深度，效果非常有限。通过喷孔构型设计，改变了喷孔周围局部流动和激波结构的菱形、楔形-半圆、箭形及针形等喷孔。一方面降低了喷孔前缘边界层的分离；另一方面也提升了射流的穿透深度。相比于单孔喷注，组合型喷孔对应的穿透深度更大，文献 [14]和文献 [15]的研究结果也表明，组合孔可以增强流场的展向涡量，燃料射流向流场下游发展过程中对应的展向扩展角和展向扩展范围也随之增大，从而在射流远场实现射流与来流空气的高效混合，大大改善壁面喷注性能。综上分析认为，可将组合型壁面喷孔应用于小尺度发动机燃烧组织。

对于大尺度发动机，壁面喷注方式对应的射流穿透深度有限，燃料在燃烧室内与空气的掺混程度不能完全满足燃烧组织需求。如果采用支板作为大尺度发动机的主要喷注方式，也需要在喷注位置布置多块支板才能弥补其空间作用范围的限制，由此会导致燃烧室通道阻塞率和总压损失也随之增大。分析认为：在大尺度发动机应用中，目前发展的壁面喷注方式还不能完全取代支板喷注。将壁面喷注与支板喷注方式结合使用，优化两者在燃烧室通道中的布局位置，可以弱化大尺度发动机对支板燃料喷注的需求和支板热防护问题，确保燃油在燃烧室内均匀散布，增强燃料与来流空气的高效掺混，提升发动机的整体性能。

3 结束语

高效燃烧组织是超声速动力系统研究中的关键技术，燃料与来流空气实现高效掺混是解决该项关键技术的前提条件。在多种壁面喷孔型式中，组合型壁面喷孔在提升穿透深度、改善喷注性能及工程应用等方面具有明显优势，可以作为后续研究的一个重要方向。此外，针对超声速飞行器长时间工作需求，发动机采用主动冷却方式时，兼顾气液喷注的壁面喷孔构型设计也是一个需要考虑的问题。

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（编辑：马 杰）

Effects of different wall surface orifices on injection characteristics of supersonic air flow

CAI Fengjuan,ZHANG Mei,ZHANG Mengzheng
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The efficient mixing of fuel jet and air flow in supersonic gas flow is a precondition to achieve ignition,flame stabilization and high efficiency combustion.The effects of different wall surface orifices on the injection and mixing characteristics have been studied by many researchers at homeand abroad.Compared with thecommon circularorifice,diamond-shaped orifice,wedge-semicircle shaped orifice,arrowhead shaped orifice and stinger-shaped orifice are beneficial to reduction of the boundary layer separation at orifice front edge,and improvement of the penetration depth of the jet flow.Compared with the single orifice injection,the combined orifice can further enhance the mixing effect of the fuel and the incoming air in far field.In this paper,the wall surface injection orifice and engineering application condition that apply to the supersonic combustion are proposed on the basis ofanalysis ofthe injection characteristics ofvarious orifices.

supersonic air flow;wall surface orifice;injection characteristics

V432-34

A

1672-9374(2017)04-0018-05

2016-08-29；

2017-02-28

国家863项目（2015AA0214）

蔡锋娟（1985—），女，工程师，研究领域为组合推进燃烧组织技术