液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

康忠涛，李向东，毛雄兵，李清廉

1. 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所 高超声速冲压发动机技术重点实验室，绵阳 621000 2. 国防科技大学 高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073

液体火箭发动机具有推力大、比冲高、可适用多种环境等优点，在航天技术的发展上长期占据重要地位[1]。在液体火箭发动机工作过程中，推进剂需要雾化成细小液滴以快速蒸发，之后进行混合和燃烧。在推进剂雾化、蒸发、混合和燃烧过程中，喷嘴起着重要作用，因此研究喷嘴的雾化机理和工作特性对发动机设计具有重要指导意义。

在双组元液体火箭发动机中，一种推进剂通常会被用于冷却燃烧室，或者用于形成富氧燃气以驱动涡轮，其进入燃烧室前会变成气相。由于气液相互作用能够显著增强喷嘴的雾化性能，这种发动机普遍采用气液同轴式喷嘴。例如，美国航天飞机主发动机(SSME)、RS-68、RL-10、J-2、Vulcain、HM60、LE7等发动机就采用了气液同轴直流式喷嘴，如图1[2]所示(图中x和r分别为轴向和径向，Ug为气体速度，Ul为液体速度，ρg为气体密度，ρl为液体密度，Do为内喷嘴直径，D1为外喷嘴直径)。

气液同轴直流式喷嘴工作时，液体射流通过中心圆孔喷注进入燃烧室，在环缝气流的作用下逐渐失稳破碎形成大液滴，大液滴在气流作用下二次雾化，生成许多细小液滴，液滴在高温环境中迅速蒸发并与环缝喷注的气体推进剂相互掺混形成可燃混气。通常，可燃混气燃烧形成的火焰锋面会驻定在喷嘴出口附近，并以一定扩张角向下游延伸。在真实发动机中，高温和高压对喷嘴雾化和燃烧火焰均有重要影响。当不稳定燃烧发生时，燃烧室压力振荡也对喷嘴雾化和燃烧火焰影响显著。由此可知虽然气液同轴直流式喷嘴结构非常简单，但在液体火箭发动机中其工作过程是非常复杂的。

对于圆柱射流，Rayleigh[3-4]最早在1878年利用线性不稳定理论对初始稳定的无限长圆柱射流进行了较为全面和完整的研究，指出射流速度较低时表面张力是射流破碎的主要原因，射流呈现轴对称破碎模式。从那之后，国内外针对圆柱射流开展了大量的理论研究。这些研究考虑了液体黏性[5-9]、重力和气体可压缩性[10-17]以及燃烧室高温环境热传递的影响[18-22]。后来Ashgriz[23]对圆柱射流的理论分析进行了较为详细的综述。在试验方面，学界重点关注了射流破碎过程，主要分析了破碎长度和表面波振幅[24-25]，发现圆柱射流有5种典型的破碎模式：滴落模式、Rayleigh模式、一次风声破碎模式、二次风声破碎模式和雾化模式。在Rayleigh模式和一次风声破碎模式下，射流由表面张力主导，并在毛细不稳定作用下断裂破碎。在这两种模式的临界点处，气动力是表面张力的10%。而在二次风声破碎和雾化模式下，射流由气动力主导，表面张力会抑制液滴的生成。Dumouchel[26]对圆柱射流的一次破碎过程进行了详细的综述，给出了这5种破碎模式的产生条件。此外，针对射流内部流动特性的影响[27-28]、发动机高温高压环境引起的超临界喷注[29-31]、不稳定燃烧时反压振荡的影响[32-34]以及供应系统振荡的影响[35-38]也开展了大量的研究。

综上所述，在液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴的工作过程非常复杂。目前学界对圆柱射流开展了大量研究，并做了深入总结。对气液同轴直流式喷嘴也开展了大量研究，但还没有进行全面的总结，特别是将喷嘴的雾化机理、雾化特性与喷嘴的燃烧特性相结合的总结，制约了对液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴工作原理的深入理解。本文针对液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴的雾化机理、雾化特性以及燃烧特性，综述国内外的研究进展，特别是真实发动机燃烧室高温高压环境及不稳定燃烧时压力振荡环境的影响，以加深对气液同轴直流式喷嘴工作过程的认识。

1 雾化机理与雾化特性

气液同轴直流式喷嘴雾化过程的本质是圆柱射流在环缝气流作用下失稳、破碎以及液滴的二次雾化。在气流作用下，射流的破碎模式及雾化特性与圆柱射流呈现出显著的不同。此外，在一定的喷嘴结构和工况条件下，气液同轴直流式喷嘴还会出现自激振荡现象。在真实发动机环境中，由于外侧气流的隔离，雾化过程对高温、高压以及压力振荡的响应也呈现出与圆柱射流不同的特征。

1.1 射流破碎

射流表面波的不断发展一直被认为是射流失稳、破碎的真正原因。虽然同轴气流作用下圆柱射流不稳定与静止环境中圆柱射流不稳定有一些相同的特征，如射流表面张力会促进长波模式的不稳定，而抑制短波模式的不稳定[39-40]，液体黏性会抑制射流不稳定[41]。但是环缝气流也会显著影响射流表面波的发展，使其呈现出许多不同的特点。在喷嘴结构参数的影响方面，Liu等[39]发现气液喷嘴直径比的增加会显著增加主导表面波的增长率和波长、缩短射流破碎长度、减小液滴直径。在工况参数的影响方面，Funada等[42]发现随着环缝气体马赫数Ma的增加，最不稳定表面波的波长迅速减小。Ibrahim等[41]指出增加气液密度比能够增强气液相互作用，从而增强雾化。Xiao等[43]通过数值仿真发现液体湍流涡对射流表面不稳定的发展和雾化过程具有主导作用。

液体推进剂的物性会对射流的破碎雾化过程产生重要影响。按照液体推进剂物性的不同可以将推进剂分为牛顿流体和非牛顿流体两种。不同牛顿流体的主要区别在于密度和黏性的不同。密度对射流破碎雾化的影响主要通过射流喷注速度反映出来，而黏性则主要通过影响射流表面波发展体现出来。Ibrahim[5]指出对于无黏气体中的黏性圆柱射流，在高韦伯数(We)下，非对称扰动起主导作用，增加气液密度比或减小Oh会增强非对称扰动的主导作用。黏性能够减小表面波增长率，当雷诺数(Re)足够大时黏性的影响就不再显著了[6]。而对于黏性气体中的黏性射流，严春吉等[7]指出射流破碎与雾化过程存在一个临界We，当We小于临界We时，We增加抑制表面波发展，当We大于临界We时，增加We促进表面波发展。液体Re和气液密度比始终促进表面波发展。杜青等[8]进一步指出，Rayleigh模式下Re和We的增加使主导表面波频率和增长率增加，密度比的影响不大。而在Taylor模式下Re和密度比的增加使得主导表面波频率和增长率增加，We则起相反作用。

对于非牛顿流体，目前主要用幂律模型或黏弹性模型来描述非牛顿流体的本构方程。Liu[49]和Brenn[50]等指出黏弹性射流的不稳定特性由黏性和弹性共同决定，黏性会抑制不稳定而弹性会增强不稳定。因此，黏弹性流体比牛顿流体不稳定，但比无黏流体稳定[49]。We是控制黏弹性射流稳定性的关键参数，随着We的增加，扰动波的不稳定范围和增长率显著增加[49]。Yang等[51]分析了旋流空气中黏弹性圆柱射流的线性稳定性，指出空气旋转起着稳定射流的作用。在高We、低Re下射流由非轴对称模式主导，但是当空气旋转强度足够大时，射流将变为由轴对称模式主导。随着液体弹性的增加，射流主导表面波增长率逐渐增加。对于弱黏弹性射流，气体密度和射流速度是影响稳定性的主要因素[52]。Li等[53]发现电场可能会引起带电黏弹性圆柱射流轴对称模式和非轴对称模式的绝对不稳定。弹性对轴对称模式的绝对不稳定和对流不稳定都起促进作用，而对非轴对称模式的影响较小。对于幂律流体，Chang等[54]发现幂律圆柱射流破碎可以分为Rayleigh模式和Taylor模式，Rayleigh模式下，表面张力促进射流破碎而液体黏性抑制射流破碎，Taylor模式下，表面张力和黏性均抑制射流破碎。幂指数较小的流体更容易失稳破碎。

1.2 雾化特性

不论气液同轴式喷嘴处于何种破碎模式，对发动机性能影响最大的还是其雾化特性。雾化特性包含喷雾锥角、液滴粒径分布、速度分布、液体质量流率分布等，受喷嘴结构和工况参数的影响显著。

工况参数主要有气液比、气液速度比和气液动量比等，通常这3个参数是相互关联的，对于特定结构的喷嘴，增加气液比也会增加气液速度比和气液动量比。从喷雾空间分布上看，增加气液比对喷嘴雾化性能不利，因为它使得喷雾空间分布范围减小。具体表现为喷嘴出口处喷雾的宽度随气液速度比的增加而减小[55-56]。对于低温推进剂，有同轴气流时喷雾锥角显著减小，并且随着气流速度的增加，喷雾锥角会继续减小[48]。但是从喷嘴雾化质量上看，增加气液比或气液速度比又会显著提高喷嘴的雾化性能[55-56]。因为小气液密度比和速度比、小液体We对射流起稳定作用[57]。此外，其他工况参数如液体喷注速度、气体We和液体Re等也会对喷嘴的雾化性能产生影响。Liu等[58]指出固定气液比时，索太尔平均直径(Sauter Mean Diameter, SMD)随液体射流直径、液体喷注速度、气体We和液体Re呈先减小后增加趋势。总的看来，气液同轴直流式喷嘴的雾化特性主要由工况参数决定，如喷嘴SMD主要由喷注压降决定[59]。

喷嘴结构参数主要包括内喷嘴直径和缩进长度。一般认为内喷嘴直径越小则喷嘴雾化性能越好。Hardalupas和Whitelaw[55-56]发现在相同的气液速度比下，液体喷嘴直径减小一半，喷嘴雾化性能提高25%，但是喷雾宽度减小20%。此外，内喷嘴直径的这种影响还与工况参数有关，当气液比较小时，内喷嘴直径的影响显著，当气液比较大时，内喷嘴直径没有显著影响[58]。同内喷嘴直径一样，内喷嘴缩进同样对喷嘴的雾化性能有重要影响。内喷嘴缩进能够显著增加喷雾宽度[55-56]，同时减小雾化后的液滴粒径[60]，增强喷嘴雾化性能[2, 47]。因为缩进会限制缩进室内部的流动，缩进对流动的限制作用越强，射流表面波增长率越大[57]。当这种限制作用很强时，系统表现为绝对不稳定，当限制作用较弱时，系统转变为对流不稳定[57]。内喷嘴缩进的这种影响同样与工况参数有关，当气体喷注压降较大时，内喷嘴缩进的影响不大，并且SMD随缩进长度的变化规律与气体喷注压降较小时相反[59]。Hu等[59]指出当气体喷注压降和喷嘴缩进都非常大时，液体分布会显著减小并出现振荡，因此大的喷嘴缩进可能会对发动机工作不利。

在实际喷雾中，还比较关心的是SMD和平均速度在空间中的分布情况。对于气液同轴直流式喷嘴，典型的SMD分布呈“实心锥”形分布，如图4所示[55](图中VR为气液速度比,Z为测量平面距喷嘴出口的距离)。这是因为在喷雾中心是由射流一次破碎、二次雾化形成的液滴，液滴粒径较大。而在喷雾的外侧是气液相互作用生成的液滴，由于气液相互作用非常剧烈，液滴尺寸要显著小于喷雾中心。气液同轴直流式喷嘴产生的喷雾场液滴轴向平均速度呈“马鞍”形分布，如图5[61]所示。因为要提高喷嘴的雾化性能，环缝气体的喷注速度通常远大于中心圆柱射流的喷注速度，这就使得在喷雾场中心液滴平均轴向速度较小，而在外侧的气液相互作用区域液滴速度显著提高。

1.3 喷嘴自激振荡

气液同轴直流式喷嘴在一定的结构和工况条件下会发生自激振荡现象。自激振荡通常是指气液相互作用的时滞反馈引起的压力和流量振荡[62]。如图6所示[63],自激振荡发生时，喷雾随之周期性振荡。学界普遍认为自激振荡可以造成不稳定燃烧，因此自激振荡必须得到抑制[64-65]。

由于自激振荡通常发生在有缩进的气液同轴直流式喷嘴中，缩进室内部的流动特征对自激振荡的发生起着重要作用。Tsohas等[66-69]通过二维数值仿真再现了自激振荡发生时缩进室内部流动，发现自激振荡受喷嘴水力不稳定影响显著。他指出喷嘴内部水力不稳定主要有3种来源：液氧喷嘴出口的脱落涡、液氧喷嘴的声学不稳定和气液同轴直流式喷嘴出口的脱落涡。液氧喷嘴出口脱落的涡在缩进室内部随流动逐渐合并成大涡。厚的液氧喷嘴生成的涡更大、脱落频率更低，这些脱落涡的能量会逐渐超过液氧喷嘴声学不稳定的扰动能量，进而对整个喷嘴起主导作用。相反，薄的液氧喷嘴出口的脱落涡更小、脱落频率更高，并且脱落涡的能量也较小，不足以克服液氧喷嘴的声学不稳定引起的扰动，此时液氧喷嘴的声学不稳定起主导作用。随着液氧喷嘴长度的减小，喷嘴固有声学频率增加，在缩进室内部质量流率的振荡频率也相应地增加。当喷嘴总流量固定时，气液动量比的增加会使液氧喷嘴出口脱落涡的尺寸和能量更大。

在气液同轴直流式喷嘴自激振荡的产生机理上，目前主要有两种观点：壅塞和K-H不稳定。Nunome等[63, 70]研究了气液同轴直流式喷嘴产生的喷雾由稳态向自激振荡的转变过程，发现自激振荡发生时，流动从非壅塞变为壅塞。内喷嘴缩进是诱发喷嘴自激振荡的关键参数，随着内喷嘴缩进长度的增加，缩进室内部流动逐渐从未完全发展形态变化为完全发展形态和壅塞形态。当壅塞发生时，喷雾形态变得蜿蜒曲折，即出现自激振荡。并且射流破碎模式从纤维破碎转变为Super-pulsating破碎。自激振荡的发生存在一个临界参数Fcr，只有当工况参数Rel/(Weg)0.5

Kim等[71-75]对气液同轴直流式喷嘴缩进室内部流动进行了三维数值仿真，认为自激振荡是由射流表面的K-H不稳定造成的。气液密度比和气液速度比是对自激振荡影响最大的工况参数，增加气液密度比和气液速度比能够增加射流振荡频率和振幅。内喷嘴直径、厚度和缩进长度是对自激振荡影响最大的结构参数，射流不稳定振幅随射流直径的增加而减小，随缩进长度的增加而增加。液氧喷嘴厚度对射流稳定性影响很大，薄喷嘴相比无厚度的喷嘴，振荡的振幅和频率显著增加，但是继续增加喷嘴厚度又会减小振荡振幅。当燃烧室压力振荡时，射流振荡由压力振荡主导，射流振荡的振幅与压力振幅成正比，但与燃烧室压力振荡频率呈反比。

1.4 超临界状态对喷注雾化的影响

真实的发动机燃烧室是高温高压的，这种环境对气液同轴直流式喷嘴雾化过程最大的影响是它能够使推进剂处于超临界状态。超临界状态下推进剂的物性与液体和气体都不同，是介于两者之间的一种状态，会对雾化过程产生重要影响。

超临界状态下气液同轴直流式喷嘴的喷雾显著区别于亚临界状态，如图7[30]所示。在超临界条件下射流雾化过程不能再视作常规雾化，它更像是一个混合过程，并且对压力、温度、混合物浓度、初始状态等小扰动非常敏感[30, 76]。这种混合过程受内外射流速度影响显著，外部射流与内部射流的速度比越大，内侧射流对外侧射流的卷吸作用就越强，速度核心区就更短，外部射流剪切层的分布角就更大[77]。并且，在这种状态下剪切层涡脱落的频率与喷嘴出口回流区的特征频率一致[77]。此外，其他发动机燃烧室环境如反压和压力振荡也会对超临界喷注过程产生重要影响。反压会使速度核心区减小，外侧射流剪切层分布角减小[77]。在横向压力扰动下，超临界射流会在扰动速度垂直的方向上呈现正弦型的结构[77]。

1.5 供应系统压力振荡对喷注雾化的影响

对于气液同轴直流式喷嘴，当供应系统振荡时，喷嘴的喷注雾化过程会发生显著变化，因为此时射流的喷注速度和流动状态会随供应系统振荡而振荡。Heister等[35-36]采用边界元方法(BEM)研究了供应系统振荡时圆柱射流的形态，发现射流会出现的Klystron效应，如图8所示。这种效应是由于喷嘴压降的振荡引起液体喷注速度的振荡，当后喷注液体速度大于先喷注液体速度时就会追赶先喷注液体，从而出现射流聚集、挤压的现象。Heister等[35-36]进一步指出射流对其本征频率处的扰动响应最强，对于低速圆柱射流，增加扰动振幅和频率会使得射流的雾化性能提高。Srinivasan等[37]对供应振荡下圆柱射流的仿真结果表明相同Strouhal数下振荡振幅的变化会对射流破碎过程产生显著影响，增加振荡振幅和频率能够增加射流的喷雾锥角。在试验方面，Chigier[38]也发现了Klystron效应，并且指出在射流本征频率附近施加供应振荡能够增加液滴的尺寸均匀性。

1.6 反压振荡对雾化过程的影响

当不稳定燃烧发生时，燃烧室压力的振荡也会对气液同轴直流式喷嘴的雾化过程产生显著影响，如图9所示[34](图中Pac为声压振幅)。反压振荡的影响主要表现为对喷雾形态、液核长度和喷雾锥角的影响。这些影响与喷嘴的喷注状态(亚临界、近临界或超临界)和喷嘴所处位置(压力扰动波波腹、压力扰动波波节)有关。此外，还受工况参数(气液动量比)和结构参数(内外喷嘴喷注面积比)的影响。在燃烧室中，反压振荡会引起速度场的振荡，从而形成速度扰动波。对于压力扰动驻波而言，扰动波的波节位置就是压力扰动为零、速度扰动最大的位置，也是速度扰动波的波腹位置。而压力扰动波的波腹位置就是压力扰动最大、速度扰动为零的位置，也是速度扰动波的波节位置。

当喷嘴位于压力扰动波波腹位置时，在亚临界状态下，只有在同轴气体作用下声压波动才对射流破碎过程有显著影响，只有在气流动压低于声压振幅时声压波动才对射流液核有显著的影响，因为声压波动对射流的影响是由声波引起气流周期性振荡产生的[34]。此时声压波动使得中心射流生成一些大涡结构，从而显著增强了混合效率[78]。在近临界或超临界状态下，相比喷嘴位于压力扰动波波节位置，声压波动使射流的液核长度显著减小，并且气液比越大，声压波动的影响越小[78]。

当喷嘴位于压力扰动波波节位置时，在亚临界状态下，声波扰动显著加速了射流的不稳定和破碎过程，并使射流呈现正弦形，并在一个波长位置破碎断裂[79]。在近临界或超临界状态下，射流核心区域变得短且薄，此时射流对外部扰动不敏感，射流振荡会减弱[80-81]。Davis等[81]认为射流对声波扰动的响应特性与射流的声阻有关，声阻越大则对扰动的响应也就越强。Davis和Chehroudi[82]还发现气液速度比越大，射流振荡越弱。这可能是发动机采用高气液速度比工作时具有更好的燃烧稳定性的原因[80]。

除了影响射流形态，反压振荡还会显著影响喷雾锥角和液核长度。在近临界或超临界状态、中等动量比下，射流分布角对横向扰动的响应最剧烈，射流分布角随动量比的增加而增加，射流对声波扰动的响应得到了增强[83]。声波扰动使喷雾锥角增加的同时，也使射流呈现出正弦形，这种正弦形的波与射流出口动量与声波动量的比值有关[79]。对于液核长度，Richecoeur等[84]发现横向振荡能够减小完整液核长度，射流出现弯曲、褶皱。Hardi等[85]发现在一阶横向扰动下，当压力振幅为8%时，完整液核长度减小30%。液核长度的减小是由于横向的扰动气流对液核产生的剥离作用造成的，随着压力扰动幅值的增加，液核长度呈线性减小。Méry等[86]指出当燃烧室压力高强度振荡时，液核破碎过程加速使得液核长度变短，雾化和蒸发过程得到增强。

喷嘴结构会影响射流对声波扰动的响应特性，但是目前对其影响机制的研究还不够充分，认识还很不清楚。特别是结构参数的影响还往往与工况参数的影响相互关联[87]。Rodriguez等[88]对比了两种喷嘴对横向扰动的响应特性，其中对比喷嘴是通过在基准喷嘴的基础上增加内喷嘴直径、减小喷嘴壁厚得到的。试验结果表明在亚临界、近临界条件下，对比喷嘴生成的射流在压力扰动波波腹处对声波扰动响应最明显。而基准喷嘴生成的射流在压力扰动波波节处响应最明显。这表明喷嘴结构参数会对射流的响应特性和声学扰动混合增强机理产生重要影响。

2 燃烧特性

燃烧特性是喷嘴研究的重要内容，它指的是特定构型的喷嘴所形成的火焰形态、火焰稳定方式、火焰的振荡特性以及喷雾火焰对供应系统和燃烧室压力扰动的响应特性等。

2.1 火焰结构

火焰的驻定位置是火焰结构最重要的一个参数，气液同轴直流式喷嘴喷雾火焰的OH*自发辐射信号经过Abel变换就可以得到火焰结构，典型的火焰结构如图10所示[89]，图中横坐标x/Do为采用内喷嘴直径进行无量纲化后的轴向位置，颜色表示自发辐射强度，中心方框包含的区域为叠加的射流图像。Mayer和Tamura[76]指出气液同轴直流式喷嘴的火焰驻定在喷嘴出口处，从喷嘴出口形成的回流区中发展而来，火焰将燃料与氧化剂分开。Juniper等[89]进一步指出当燃烧室压力较低时，火焰驻定在液氧喷嘴出口。当燃烧室压力较高时火焰膨胀减弱，对气液动量比的依赖程度减弱，因为高压下燃烧主要由大尺度的湍流混合控制，而低压下则由射流破碎雾化和蒸发控制。Singla等[90]则发现要使火焰驻定在气液同轴直流式喷嘴出口，液氧喷嘴出口回流区的厚度要大于火焰面的厚度。而火焰面厚度与回流区横向尺度在一个量级上，当火焰面厚度大于回流区横向尺度之后，火焰对高速喷注的氢气非常敏感。

工况参数、推进剂物性以及反压等会对火焰驻定位置产生影响。Herding等[91]发现最重要的两个无量纲数是气液动量比和气体We，气液动量比主要决定液氧射流的初次雾化，而We主要影响液滴的二次雾化。混合比和燃烧室压力是另外两个重要的参数，混合比决定了释热率和化学反应时间。当液氧喷注速度较低时，火焰驻定在喷嘴出口处，当液氧喷注速度较高时，火焰抬举。气液动量比虽然会显著影响火焰形态，但是对火焰稳定影响不大。从结果中可以看出氢氧扩散火焰的火焰面厚度约为1 mm。Singla等[92]对比分析了液氧/氢气和液氧/甲烷火焰的稳定性，发现两种火焰都在液氧喷嘴出口的回流区内稳定，但是液氧/氢气火焰的驻定位置更靠近喷嘴出口，并且驻点位置振荡幅值更小。液氧/气体甲烷的火焰面厚度比液氧/氢气的火焰面厚度更厚，因此火焰稳定对气体喷注速度更加敏感，在液氧喷嘴出口处液氧/气体甲烷火焰不是很稳定，与液氧/氢气火焰相比需要更厚的液氧喷嘴来稳定火焰。Vaidyanathan等[93]对火焰进行OH*-PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)测量，指出当燃烧室压力为1 MPa时，火焰驻定在液氧喷嘴出口，而其他反压下形成抬举火焰。1.0～2.7 MPa反压下火焰的褶皱、跳动是由于Re增加造成湍流度增加和液氧喷嘴出口回流区的尺寸、动力学特性引起的射流不稳定共同作用产生的。

火焰结构的其他参数包括火焰膨胀角、火焰面厚度、反应区尺寸以及湍流火焰的瞬态特性等。Kawashima等[94]发现当不稳定发生时，火焰呈现出环状涡结构。Kendrick等[95-96]发现喷嘴缩进能够增强火焰的稳定性，缩进之后火焰在喷嘴缩进室内部驻定，火焰的膨胀角增加，火焰面厚度增加，反应区尺寸增加。因为缩进后，在缩进室内部的燃烧产物会占据一定的空间，使得氢气加速、气液动量比增加。气液动量比的增加使得液核破碎更快、一次雾化性能提高，相应的火焰扩张角和反应区域增加。Lux和Haidn[97]也认为喷嘴缩进之后火焰膨胀得到增强，但是增强效果随着动量比的增加而减小。喷嘴缩进使得燃烧整体更加平稳，但也增加了燃烧室的声学频率来源。当燃料的喷注压降小于燃烧室压力的10%～12%时容易激发低频不稳定燃烧，喷嘴缩进能够提高发动机的稳定工作边界，即激发不稳定燃烧的临界压力有所增加，因此当燃料的喷注压降逐渐减小时，有缩进的喷嘴先出现低频不稳定燃烧。Nunome等[98]分析了两种火焰模式，发现抬举火焰造成喷注压降的振荡较弱，驻定火焰造成喷注压降的振荡较强，同时驻定火焰受液氧喷嘴固有声学频率的影响很大。

2.2 超临界状态对燃烧火焰的影响

真实发动机高温高压环境会对燃料状态产生重要影响，而燃料的状态又会对火焰结构产生重要影响，不同推进剂状态下气液同轴直流式喷嘴火焰形态如图11[99]所示。Locke等[100]分析了燃烧和冷态条件下同轴射流的雾化和燃烧特性，发现燃烧条件下液核呈正弦波形，之后破碎成稠密氧气团状结构，并迅速被消耗掉。冷态条件下，亚临界和超临界的喷雾呈现出显著的差别，亚临界类似雾化过程，而超临界类似于混合过程。Singla等[99]发现当两种推进剂均处于跨临界状态时，存在两个火焰面，分布在燃料射流两侧，外侧火焰面非常稳定，与跨临界状态下燃料射流中存在较大的密度差有关，这种密度差减小了不稳定的增长率。同时，两个火焰面将发生抬举，不会像甲烷为气态、液氧为亚临界和超临界一样驻定在喷嘴出口燃烧。中间火焰起始处的直径要小于喷嘴出口直径，外侧火焰是由高速喷注的跨临界甲烷卷吸夹带而来的部分氧与跨临界的气态甲烷燃烧形成的。此外，Nicola[101]和de Giorgi[102]等对超临界条件下液氧甲烷同轴火焰进行了数值仿真。Matsuyama等[103-104]对液氧气氢同轴射流火焰进行了数值模拟。

虽然超临界状态下火焰的结构呈现出显著的区别，但是火焰驻定的位置还是在液氧喷嘴出口的回流区内。Zong等[105-106]发现扩散火焰驻定在液氧喷嘴出口形成的回流区内，并且沿着液氧射流边界向下游发展。整体流动受较轻的甲烷流动影响较大，液氧喷嘴外边界的大尺度涡脱落将甲烷卷入回流区内与氧气进行反应。涡脱落频率与台阶的涡脱落频率一致。液氧和甲烷之间的密度分层流动使得轴向湍流强度增加，径向湍流强度减小。Ruiz等[107]对隔板后的超临界氢氧火焰结构进行了数值仿真，发现火焰在氧射流外侧发展并驻定在隔板回流区内。火焰中部分预混区域断断续续地出现，部分预混区域的温度要高于非预混区域，反应区主要由各种拉伸的非预混火焰组成。Oefelein[108]指出超临界条件下，在喷嘴出口附近由于燃料和氧化剂存在巨大的热物性梯度，会形成一个扩散燃烧区域，火焰驻定在喷嘴出口形成的回流区内。

2.3 燃烧不稳定

燃烧稳定性是喷嘴燃烧特性的重要指标，在一定的结构和工况条件下燃烧过程会发生不稳定。对于采用气液同轴直流式喷嘴的液氢液氧火箭发动机，不稳定燃烧的频率与液氧内喷嘴的本征频率相当，表明供应系统与液氧喷嘴固有频率相耦合造成了喷注压降的振荡[98]。并且喷注压降的振荡强度与火焰形态有关，抬举火焰造成的喷注压降振荡较弱，驻定火焰造成的喷注压降振荡较强，驻定火焰受液氧喷嘴固有声学频率的影响很大[98]。当燃料的喷注温度低于某个临界值(50 K)后就会出现不稳定燃烧，并且这个临界值随着液氧喷嘴直径的减小而减小[98]。而对于液氧甲烷火箭发动机，不稳定燃烧的主频主要受液氧喷注温度的影响，燃料状态的影响不大[94]。液氧喷嘴厚度决定是否出现不稳定燃烧，并且在不稳定燃烧发生时捕捉到了涡环状的火焰结构[94]，如图12所示。由于液氧喷嘴固有声学频率与不稳定燃烧频率一致，这种高频不稳定燃烧被认为是由燃烧过程与喷注过程的耦合产生的[94]。但是这种机理不能解释其他喷嘴结构参数和喷注参数对不稳定燃烧的影响，因此这种不稳定燃烧不仅仅由燃烧过程与喷注过程耦合产生，K-H不稳定可能是不稳定燃烧产生的重要原因[94]。此外，Feng等[109]对液氧甲烷发动机的低频不稳定燃烧进行了数值仿真，并与液氧氢发动机进行了对比，结果表明燃烧室内部低频纵向不稳定主要发生在发动机工作的早期。

对于气气同轴直流式喷嘴，袁磊[110]进行了数值仿真，发现大尺度涡结构的形成、合并、碰撞是燃烧室内释热脉动的主要原因；燃料与氧化剂的速度比越小，燃烧振荡的能量向各阶主频振荡分配得越多，各阶主频振荡越明显；因此，燃料与氧化剂之间的速度比越大越有利于削弱燃烧振荡；即便外加激励频率不是燃烧室声学频率，燃烧室压力平稳后，振荡特性仍然体现为燃烧室声学振荡特性。

2.4 供应系统压力振荡对燃烧火焰的影响

燃烧不稳定通常发生在大尺寸的发动机中，而研究用的模型发动机却很少发生燃烧不稳定。因此，要研究燃烧不稳定需要首先激发不稳定燃烧。目前主要有3种不稳定燃烧激发方法：喷嘴偏置法[111-113]、供应系统激励法、燃烧室横向/纵向扰动激励法。对于供应系统振荡下喷嘴燃烧过程的响应特性，目前主要围绕预混火焰开展，对于扩散火焰研究得还很少。并且针对扩散火焰的研究中，没有采用气液同轴直流式喷嘴的，而是采用气体旋流喷嘴的。Yi和Santavicca[114]通过在液体燃料管路上施加扰动，分析火焰对扰动的响应特性。发现当扰动振幅较小(<2%平均质量流率)且扰动频率小于一个特定值(燃烧室固有频率减去60 Hz)时，火焰的幅频特性和相频特性呈线性变化。燃烧释热的振荡主要受脉动流量的影响，而不是液滴粒径及粒径分布振荡造成的。当供应系统振荡频率与燃烧室固有声学频率接近时，供应系统振荡诱发的燃烧室声学反馈与释热振荡的相互作用就不能忽略，此时火焰的传递函数就不再是开环且线性的了。

对于预混火焰而言，按照火焰稳定的方式可以分为预混射流火焰、钝体稳定的预混火焰和旋流稳定的预混火焰，如图13所示。对于预混射流火焰，Birbaud等[115]分析了火焰上游的新鲜混气速度场对供应系统振荡的响应特性，指出当斯特劳哈尔数St≤1时，扰动波通过对流传播；当1

对于钝体稳定的预混火焰，Durox等[116]研究了火焰对供应振荡的响应特性，发现上游扰动以对流的形式传播。火焰面褶皱是由预混气流与周围环境气体相互剪切产生的涡引起的。火焰面褶皱会诱发火焰强烈地卷升，造成火焰面面积迅速变化。Chaudhuri和Cetegen[117-118]发现供应系统扰动以对流的形式传播。钝体稳定火焰对供应系统振荡的响应传递函数呈现出低通滤波特性，其截断斯特劳哈尔数在0.08～0.12之间。即当供应振荡频率较低时，火焰对供应振荡的响应表现为放大特性，并且随着预混气流速度的增加，放大程度逐渐增加。此外，火焰的响应特性受预混气体当量比径向分布影响显著。Birbaud等[119]分析了空间受限的火焰对供应系统振荡的响应特性，指出壁面与火焰面的相互作用对火焰动力学特性具有显著影响。Chaparro和Cetegen[120]分析了供应系统振荡时，钝体稳定火焰的吹熄特性，指出火焰的吹熄当量比与供应系统振荡频率有关。当预混气流速度较低时(5 m/s)，供应系统振荡使得火焰的吹熄当量比减小，即使得火焰稳定性增加。当预混气流速度较高时(10 m/s和15 m/s)，随着供应系统振荡频率的增加，圆盘和锥形钝体稳定火焰的稳定性减弱。而棒状钝体稳定火焰的稳定性仍随供应系统振荡频率的增加而增强。

对于旋流稳定的预混火焰，Palies等[121-123]采用火焰描述函数来表征火焰的非线性特性，研究火焰对供应系统振荡引起速度场振荡的响应。并通过图像处理得到火焰的释热区域分布，从而研究火焰的热声不稳定。他发现供应系统振荡引起的轴向速度扰动会在旋流器处激发一个周向速度扰动，使得火焰和释热对供应系统振荡的响应特性由声学扰动和周向速度扰动共同主导，扰动通过对流和声波共同传播。喷嘴出口的涡脱落会使火焰面卷曲，卷曲的火焰会显著改变旋流数并最终导致火焰面沿周向的周期性振荡。Thumuluru和Lieuwen[124]指出旋流稳定的预混火焰的动力学特性由多个物理过程共同决定：① 供应系统振荡引起的预混气流振荡；② 湍流火焰面的发展；③ 火焰稳定；④ 后向台阶、预混气体射流、旋流和剪切流动等引起的流动不稳定。这几个过程相互竞争，具体哪个过程起主导作用与供应系统振荡的频率和振幅以及火焰稳定机理有关。

2.5 燃烧室压力振荡对燃烧火焰的影响

当燃烧室压力振荡时，燃烧条件下气液同轴射流的雾化与燃烧过程都表现出不同的特征。Hardi等[125]分析了一阶横向和一阶纵向振荡对燃烧过程的影响，发现横向速度场振荡能够显著减小完整液核长度。Li等[126]通过调节流量来连续调节混合比，分析了气液同轴式喷嘴的燃烧特性。采用了两种混合比调节方式：减小燃料流量和增加氧气流量。结果表明燃烧效率和特征速度随着混合比的增加而增加，但是不同的调节方式下，燃烧效率和特征速度的增加程度不同，增加氧气的调节方式下，燃烧效率和特征速度增加更快。这可能是因为增加氧气能够增加喷雾锥角、减小液滴平均粒径而造成的。Méry等[86]发现横向压力振荡可以改变燃烧过程。中等强度振荡下，液核变平，同时二次雾化得到增强，使得蒸发率增大。平面液核附近氧气浓度的增大使得液膜上下两侧的火焰面厚度增加。高强度振荡下，液核破碎过程加速使得液核长度更短，雾化和蒸发过程得到增强。这又使得火焰长度减小，单位体积的释热率增加。压力振荡使得燃烧强度得到增强，同时壁面温度显著增加。高强度横向压力振荡下产生的小液滴跟随着横向振荡的速度场，它们的蒸发和释热过程与压力场振荡同步，释热区域也在横向振荡。

在火焰的响应特性方面，Richecoeur等[84, 127-128]在0.9、3和6 MPa 3种反压条件下分析火焰对横向扰动的响应。发现燃烧室一阶横向扰动足以激发燃烧过程与燃烧室声学过程的耦合，当施加燃烧室一阶横向扰动时，火焰的扩张程度增加、发光强度增加、轴向速度减小，燃烧室壁面温度迅速增加，释热率最大的区域以扰动频率在燃烧室内横向振荡。压力振荡和释热率振荡在燃烧室内分布相似。Richecoeur等[129]分析了温度振荡对燃烧室声学振荡的影响。发现与冷态试验相比，热试时燃烧室的品质因子(对扰动的响应特性，响应频率越集中品质因子越高)减小。这与燃烧室内温度振荡的强度和空间范围有关。温度振荡造成燃烧室内声速的振荡，进一步造成系统特征频率的变化，最终改变系统的响应特性。当燃烧室特征频率振荡时，系统耗散程度增加，使得燃烧室品质因子减小。即燃烧条件下，在某个频率的扰动下，发动机会在一个宽频范围内振荡。而在冷态条件下，发动机的振荡频率与激励频率一致。David等[130]发现燃烧条件下火焰对压力振荡的响应与冷态条件下喷雾对压力振荡的响应类似，当把喷嘴放在压力波节上时，火焰呈现出平面振荡，而当喷嘴置于压力波腹处时，火焰呈现出螺旋形结构。Hardi等[125]发现横向速度场振荡能够显著减小完整液核长度，相应地燃烧区域逐渐向喷注面板移动。在一阶纵向模态下，对流不是特别显著，燃烧过程对激励的响应系数为0.8。虽然这与压力振荡耦合能够增强释热率，但是还不足以激发自维持的高频不稳定燃烧。由此可以推断，横向扰动下，速度场与压力场的耦合是产生自维持高频不稳定燃烧的真正原因。

3 综合评价与发展趋势

气液同轴直流式喷嘴在液体火箭发动机中得到了广泛应用。虽然这种喷嘴的结构相比其他喷嘴更加简单，但是由于液体火箭发动机燃烧室环境非常复杂(高温高压，并且不稳定燃烧发生时存在压力振荡)，导致气液同轴直流式喷嘴的工作过程也非常复杂。虽然近年来在近真实条件下开展了大量的研究，对复杂环境中气液同轴直流式喷嘴工作原理有了初步的认识。但是为了深入认识气液同轴直流式喷嘴在液体火箭发动机中的工作原理，仍有大量工作要做。

在气液同轴直流式喷嘴稳态雾化机理和雾化特性方面，学界开展的研究最多，认识也最充分。这里“稳态”主要指供应系统压力和燃烧室反压保持恒定，没有扰动。研究结果表明同轴环缝气流作用下圆柱射流破碎存在瑞利轴对称、瑞利非轴对称、剪切破碎、薄膜破碎和纤维破碎5种破碎模式。喷雾场SMD呈“实心锥”形分布，平均轴向速度呈“马鞍”形分布。气液比、气液速度比和气液动量比增大能够增强喷嘴的雾化性能。结构参数上，喷嘴直径减小和喷嘴缩进长度增加能够增加喷嘴的雾化性能。外部环境的恒定并不一定意味着喷雾的稳定，气液同轴直流式喷嘴在一定的结构和工况条件下会发生自激振荡。目前的研究表明喷嘴缩进是诱发自激振荡的重要结构参数，并且提出了两种自激振荡的产生机理：① 由喷嘴缩进造成缩进室内部流动发生壅塞引起的;② 由气液界面上的K-H不稳定造成的。虽然针对气液同轴直流式喷嘴的自激振荡已经开展了一定的研究，但是对其发展规律和产生机理的认识还不够深入。下一步应继续开展自激振荡现象分析与规律总结，找到自激振荡产生的临界工况条件，即自激振荡边界。进一步分析喷嘴结构参数(缩进长度、内喷嘴厚度、气体环缝宽度等)对自激振荡的影响规律。研究自激振荡发生后对喷嘴雾化特性的影响。结合数值仿真，从理论上建立自激振荡的分析模型，找到自激振荡产生的根源。

在供应系统振荡情况下气液同轴直流式喷嘴的雾化机理和雾化特性方面，目前开展的研究还很少。虽然针对圆柱射流开展了供应系统振荡情况下的雾化机理研究，发现了射流雾化过程中存在Klystron效应，并分析了Klystron对射流破碎过程的影响。但是在同轴气体作用下，气液相互作用会显著影响射流形态，供应系统振荡会对气液同轴直流式喷嘴的雾化过程和雾化特性产生什么影响目前还不清楚。下一步需要从试验和仿真两个方面对这个问题开展深入研究。

在反压振荡情况下气液同轴直流式喷嘴雾化机理和雾化特性方面，虽然已经开展了一定的研究，对这一过程有了初步的认识。发现压力振荡一方面会造成射流形态出现扭曲或发展成液膜，另一方面会显著减小完整液核的长度。但是从已有的试验结果看，试验喷嘴数量偏少，很多结构参数的影响都还没有考虑到。从而造成得出的研究结论存在部分矛盾和无法解释的地方。例如：Davis等[79-81]的试验中发现当喷嘴位于压力扰动波波节(速度扰动波波腹)时，声波扰动会使射流呈现出正弦形。而Baillot等[34]的试验结果却表明当喷嘴位于压力扰动波波节位置时，非线性压力辐射效应会使射流压缩成液膜。因此在气液比很低的时候，中心射流也应为扁平液膜形。此外，喷嘴直径的微小变化造成了射流对声波扰动响应特性的显著差异[81-82]。这些问题的存在都表明目前对于反压振荡情况下气液同轴直流式喷嘴雾化过程的研究还很不充分,还需要在更大的工况范围内，采用更多的喷嘴进行试验，以进一步分析射流形态随结构和工况参数的变化规律。同时，还需要测量反压扰动情况下喷嘴的雾化特性以分析喷嘴的雾化机理。

同雾化机理和雾化特性一样，对气液同轴直流式喷嘴稳态燃烧特性的研究也最多，认识也最充分。在供应系统压力和燃烧室反压无振荡的稳态情况下，气液同轴直流式喷嘴形成的火焰通常驻定在直流式喷嘴出口形成的回流区内。并且回流区的厚度需大于火焰面的厚度，否则火焰对高速环缝气体非常敏感，当气流速度较高时容易出现火焰抬举。喷嘴缩进能够增加火焰膨胀角、火焰面厚度和反应区尺寸，从而提高了发动机的稳定工作边界，使得燃烧的粗暴程度减弱。当一种推进剂处于超临界状态时，火焰仍然驻定在喷嘴出口形成的回流区内。而当两种推进剂都处于超临界状态时，出现两个火焰面，分别位于燃料射流的两侧，同时两个火焰面均发生抬举。下一步，还需要研究自激振荡喷雾的火焰结构和燃烧特性。首先，要回答燃烧条件下自激振荡是否会发生；其次，自激振荡喷雾的火焰结构(火焰驻定位置、火焰形态等)有何特征；这些特征是否会与燃烧室声学特性相互耦合最终激发不稳定燃烧。

对于气液同轴直流式喷嘴燃烧特性与发动机不稳定燃烧的关系，目前普遍采用在供应系统或燃烧室上施加激励的方法，并已经开展了一定的研究。结果表明当燃烧室压力振荡时，二次雾化和蒸发过程得到增强，使得火焰面厚度增加、火焰长度减小，从而使得燃烧强度和壁面温度显著增加。当把喷嘴放在压力波节上时，火焰呈现出平面振荡，而当喷嘴置于压力波腹处时，火焰呈现出螺旋形结构。压力振荡引起的火焰振荡能够与燃烧室声学特性相互耦合形成不稳定燃烧。下一步，需要在不施加外部激励的条件下研究不稳定燃烧，找到不稳定燃烧的产生根源。其中，喷嘴自激振荡发生时的喷雾火焰振荡、喷嘴啸叫和燃烧室声学特性之间的相互关系是一个可以考虑的方向。

4 结束语

本文针对液体火箭发动机的工作特点，从喷嘴的雾化机理、雾化特性、自激振荡以及发动机燃烧室环境的影响等几个方面综述了气液同轴直流式喷嘴的雾化过程；从火焰驻定位置、火焰结构以及发动机燃烧室环境的影响等几个方面综述了喷嘴的燃烧特性。对气液同轴直流式喷嘴雾化机理、雾化特性和燃烧特性的研究现状和发展趋势做了简要评述。加深了对液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴的工作原理的认识。需要说明的是，由于作者研究工作的局限，文中引述的资料不够全面，对发展趋势的看法也可能带有个人的偏好。