航空发动机振荡燃烧文献研究

2023-03-23薛碧莹

科技资讯 2023年3期

薛碧莹

(中国航发沈阳发动机研究所辽宁沈阳 110015)

振荡燃烧，也称不稳定燃烧，是燃烧放热反应脉动引起的燃烧速度和释热率的周期性变化与燃烧室的声学特性发生共振而产生的不稳定燃烧现象[1]，常出现在燃气轮机燃烧室、航空发动机主燃烧室和加力燃烧室、固体/液体火箭发动机以及工业锅炉等各种燃烧装置[2-4]。当振荡燃烧发生时，会导致燃烧装置乃至整个系统剧烈振动，发出巨大噪声，热负荷增高，加剧污染物排放，影响燃烧装置乃至整个系统的正常工作，严重时还会造成系统部件损伤和破坏[5-7]。

长期以来，振荡燃烧是国内外众多研究人员为之努力和关注的一个方向，做了大量研究工作，但是，由于振荡燃烧是一个很复杂的问题，其本身涉及了燃烧、流动、传热、声学等多个学科，因此，对于振荡燃烧的相关研究还有待进一步深入。该文采用科学计量法和文献综述法，对国外振荡燃烧研究的发文量、作者、机构以及自由词进行分析，结合统计结果，对核心文献进行分析，管窥振荡燃烧领域的研究热点。参照国外研究成果，以期为我国航空发动机研制提供借鉴和参考。

1 数据采集与研究方法

1.1 数据采集

为客观认识航空发动机振荡燃烧相关情况，该文以美国工程索引（EI）为数据源，对其刊登的航空发动机振荡燃烧相关文献进行文献研究。

为保证文献查全率和查准率，该文以“主题/标题/摘要=振荡燃烧/不稳定燃烧”为检索式进行快速检索，包括“oscillation combustion、combustion oscillation、combustion instability、unsteady combustion、unstable combustion”这5组检索词。为保证文献内容更具借鉴和参考意义，国家限制为美国、英国、德国、法国和俄罗斯这5个航空发动机技术领先国家。时间限制为2020年12月31日，文献类型选择Journal Article 和Conference Article，语言选择English。对搜集到的数据进行清洗，剔除与航空发动机振荡燃烧无关的文献，共计得到文献641篇。

1.2 研究方法

该文采用科学计量方法，对科技论文和会议论文的发文量、作者和机构等知识单元进行定量分析；采用文献综述法，对科技论文和会议论文表征的研究热点进行定性分析；通过综合运用科学计量方法和文献综述法，结合可视化图表直观地展现国外航空发动机振荡燃烧的研究概况。

对作者和机构的统计采用普赖斯定律：同一主题中，半数的论文是一群高生产力作者所写，这一作者集合数量约等于全部作者总数的平方根[8]。根据公式（1）和公式（2），可以统计出核心作者和最低发文量。

公式（1）中，nmax为杰出科学家中最高产作者/机构发表论文数，m为杰出科学家中最低产作者/机构发表论文数。公式（2）中，(x)为撰写x篇论文的机构数，i=nmax为该领域内最高产作者/机构发表论文数，N为作者/机构总数。

2 发展概述

2.1 发文量

对振荡燃烧文献发文量进行统计，能够揭示该领域的研究进展，预测其未来发展趋势。通过对641 篇振荡燃烧文献的发表年份进行统计，发现发文时间跨度为1967—2020 年，共54 年，年均发文量约为12 篇。按照发文时间分别统计当年发文量和累积发文量，为累积发文量添加趋势线，具体如图1和图2所示。

图1 当年发文量分布

由图1 和图2 可知，振荡燃烧相关研究始于1967年，讨论了消除燃气涡轮发动机燃烧室内振荡燃烧的方式[9]，但是在接下来的近30 年间发文量较少，直至1997 年之后发文量才有所提升。根据发文时间跨度，可将振荡燃烧研究划分为两个阶段：第一阶段为1967—1996 年，累积发文量曲线呈指数分布规律，属缓慢发展期，年均发文量仅为1 篇，振荡燃烧研究开始受到关注，但是相关研究成果较少；第二阶段为1997—2020年，累积发文量曲线呈线性分布规律，属快速发展期，年均发文量为25 篇，振荡燃烧研究逐渐受到关注，相关研究成果喷涌而出。发文量峰值出现在2017 年，发文量为48 篇，占比7.49%，主要关注由振荡燃烧引发的噪声问题以及预测和抑制振荡燃烧的措施。

图2 累积发文量分布

2.2 作者分析

核心作者是指那些发文量较多、影响较大的作者集体，同时也是学术影响力、竞争力的重要贡献者[10]。对振荡燃烧领域的核心作者进行统计，有助于明确该领域研究的中坚力量。经统计，641 篇文献共有作者945人，作者最高发文量为50篇。

根据公式（1），nmax为50，计算得m为5.3篇，约为5篇，可知发文量5 篇（含5 篇）以上的作者为核心作者；根据公式（2），N为945，计算结果为30.7，约为31，可知发文量排名前31 位（含31 位）的作者为核心作者。综合公式（1）和公式（2）的计算结果，可知发文量9篇（含9 篇）以上、排名前31 位的作者为核心作者，具体内容如表1所示。

表1 核心作者（部分）

经统计，31位核心作者发文总量为574篇，来自17家机构，机构分布于5 个国家。31 位核心作者是振荡燃烧研究的核心力量，为该领域的研究和发展做出了巨大贡献。分析核心作者当前所属机构发现，有27位核心作者所属机构为高校，占比87.10%，其余12.90%来自科研机构和企业，可知高校是振荡燃烧研究的主要贡献者。分析核心作者当前所属机构分布国家发现，有18 位核心作者当前所属机构位于美国，占比58.06%，可知美国是振荡燃烧研究的主要贡献者；只有Moeck J P 当前所属机构位于挪威，经查看原文发现，该作者先后任职德国柏林工业大学、法国国家科学研究中心和挪威科技大学，针对振荡燃烧的研究始于2007 年，累积发文20 篇。尽管Moeck J P 所属机构发生了变化，但是自其任职新的机构起，均与其前一任职机构开展合作，研究振荡燃烧相关问题，推测相关研究是以Moeck J P 为核心成员的某一研究项目的成果转化。

2.3 机构分析

对振荡燃烧领域的核心机构进行统计，有助于明确该领域研究的力量分布[11]。经统计，945位作者来自264家机构，机构最高发文量为69篇。

根据公式（1），nmax为69，计算得m为6.2篇，约为6篇，可知发文量6篇（含6 篇）以上的机构为核心机构；根据公式（2），N为264，计算结果为16.2，约为16，可知发文量排名前16 位（含16 位）的机构为核心机构。综合公式（1）和公式（2）的计算结果，可知发文量16 篇（含16 篇）以上、排名前16 位的机构为核心机构，具体如表2所示。

表2 核心机构（部分）

经统计，16家核心机构发文总量为490篇，分布于4 个国家。16 家核心机构是振荡燃烧研究的核心力量，其研究成果可以引领该领域未来的研究方向和发展趋势。分析核心机构发现，有11 家核心机构为高校，占比68.75%，其余31.25%均为科研机构，可知高校是振荡燃烧研究的主要贡献者。分析核心机构分布国家发现，有8 家核心机构位于美国，占比50%，可知美国是振荡燃烧研究的主要贡献者。

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3 热点方向分析

3.1 自由词分析

对EI数据库给出的自由词进行统计，有效规避文摘数据库对自然语言的干预，获取文献最直观的研究内容。为得到严谨、正确的分析结果，对自由词进行统一化处理，消除单复数形式不统一、多词一意等含糊问题，剔除飞机、发动机、主燃烧室、加力燃烧室等宽泛词汇。

经统计，共有2 268 组自由词，累积标引4 517 次。根据自由词标引次数频率，将其按照标引次数递减的顺序输出，如图3 所示。由图3 可知，自由词词频情况分布曲线呈现阶梯形破碎折线形式，整体契合齐普夫分布曲线[12]。从词频分布的拟合度来看，反映拟合优度的决定系数R2=0.7154，自由词的分布规律拟合幂律分布规律，标引n次自由词的个数随标引次数的增加而减少，说明只有极少数的自由词被经常使用，而绝大多数自由词很少被使用。

图3 自由词词频分布

如图3 所示，极少数被经常使用的自由词标引次数大于50 次，包括燃烧不稳定、热声不稳定以及压力振荡，属于研究热点方向，研究人员针对这3个方向的发文较多；绝大多数很少被使用的自由词标引次数小于50 次，包括非稳态压力、自适应控制、稳定性分析等，涉及振荡燃烧的多个方向，研究人员针对每个方向的发文较少。综上所述，振荡燃烧领域研究重点明确，但整体关注焦点较为分散，究其原因可能是因为振荡燃烧本身是一个较为复杂的问题，涉及学科领域众多，要想在短时间内对其进行全方位且深入的研究，然而存在一定困难，因此研究人员通过采用先广泛研究多个专业方向，同时重点研究其中某些亟待解决的重点方向的策略开展振荡燃烧研究，进而使得自由词呈现幂律分布规律的特征。

根据自由词词频及其分布规律，标引次数超过20次（含20 次），排名前15 位的自由词累积标引次数为912 次，占比20.19%，根据二八定律[13]，可以认定这15个自由词为高频自由词，具体如表3所示。

表3 高频自由词

3.2 研究热点

由机构分析结果可知，50%的核心机构分布于美国，根据机构性质可将分布于美国的核心机构分为高校和科研机构两类，分别选取这两类机构中发文量排名第一位的代表性机构，佐治亚理工学院（69 篇）、AFRL（21 篇）进行分析。结合代表性机构发文的自由词与高频自由词交叉统计的结果，确定了68篇核心文献，其中佐治亚理工学院50篇、AFRL 18篇。采用文献综述法，对68 篇核心文献进行分析，综述代表机构重点关注方向的研究成果，以期管窥振荡燃烧领域的研究热点。

3.2.1 佐治亚理工学院的研究成果

佐治亚理工学院累积发表核心文献50篇，时间跨度为1989—2020年，针对振荡燃烧研究的关注焦点呈现先集中、后分散的特点，前期重点关注主动控制研究，发文量较多；后期关注热声振荡、压力振荡等方向，但针对每个方向的发文较少。此小节针对佐治亚理工学院的重点关注方向——主动控制研究进行综述。

佐治亚理工学院针对主动控制研究的发文时间跨度为1996—2007 年，发文量为13 篇，占比26%。1996年，描述了针对新的、能够快速衰减有害燃烧不稳定性的主动控制方法的理论和实验研究。1997年，综述主动控制方法及理论模型的发展和应用。在文章中对被动控制方法首先进行了介绍，由于对驱动不稳定性的基本过程缺乏足够的了解，且被动控制仅适用于某些运行工况下的特定燃烧室设计，被动控制方法的实施效果不尽如人意。由于被动控制方法存在上述劣势，人们越来越关注主动控制方法的研究。与被动控制方法相比，主动控制方法的变通性更强，能够适用于多种发动机运行工况下的不同类型燃烧室，其通过持续检测、评估燃烧室状态，迫使燃烧室按其所需的方式运行，进而主动控制燃烧不稳定性。通常，主动控制系统由压力传感器、观测器、控制器和执行装置组成。上述研究为开发不稳定燃烧室闭环控制研究平台模型提供理论基础。

2000—2006 年，针对主动控制进行了一系列实验研究。通过实验研究了最近开发的主动控制燃烧不稳定性的自适应控制方案性能。研究发现，该方案能够有效控制大幅度的振荡现象的产生；为增强对开环控制研究方法的理解，通过实验研究了开环主动控制在燃烧室内有效抑制严重燃烧不稳定性方面的应用，研究发现，在燃烧室谐振频率足够低的情况下，开环主动调节燃油喷射速率可以有效抑制燃烧不稳定性；为研究“缓慢”主动控制的可行性，通过实验研究了声学-燃烧过程耦合对液体燃料喷雾特性的依赖性，进而研究了燃烧不稳定性的驱动与液体燃料喷雾液滴大小的关系，研究发现，通过改变喷雾特性，能够有效防止有害燃烧不稳定性的发生。

2007 年，对近年来佐治亚理工学院研究的3 种主动控制方法进行综述。第一种方法使用闭环主动控制系统，能够瞬间（约40 μs）有效抑制燃烧不稳定性；第二种方法通过主动修改特征燃烧时间抑制燃烧不稳定性，通过智能燃油喷射器设置有效抑制振荡燃烧；第三种方法通过在不同于非稳定频率的频率下开环、周期性地调节燃油喷射速率来主动控制燃烧不稳定性，在特定频率范围内，调节燃油喷射速率能够完全消除振荡燃烧。

3.2.2 AFRL的研究成果

AFRL累积发表核心文献18篇，时间跨度为2000—2020 年，针对振荡燃烧研究的关注焦点较为分散，涉及振荡燃烧的多个方向，包括热声不稳定、热声振荡以及主动控制等方向，针对每个方向的发文较少。此小节按照发文时间顺序对AFRL 关注的各个方向进行综述。

2000 年，通过实验研究了在喷油器/火焰稳定器（IFF）后建立的扩散形火焰燃烧不稳定性的主动控制，在给定试验条件下，使用平面激光诱导荧光（PLIF）技术探测详细的火焰结构，并在不同燃料配比和二次燃料喷射的情况下对燃烧不稳定性进行研究。研究发现，根据二次燃料喷射位置，仅通过改变燃料配比就可以将燃烧不稳定性降低50%～90%。2001年，持续关注主动控制研究，认为控制燃烧过程能够提高燃气涡轮发动机的性能和耐久性，影响生命周期成本。

2011年，在前人对声学和放热耦合进行的大量研究基础上，提出了一种耦合动力学的新方法。利用高速火焰图像和高速压力传感器，对钝体稳定火焰的涡脱、火焰动力学和声学之间的关系进行了探索，研究发现，火焰辐射的声音范围很广，当火焰声音辐射与燃烧室的其中一种模式耦合时，会发生声学耦合。2013—2015 年，通过计算和仿真对贫油直喷（LDI）燃烧室自激燃烧不稳定性开展系列研究，并通过实验研究验证仿真结果。研究识别了导致燃烧不稳定性的原理，评估了燃料喷射模型在预测燃烧不稳定性方面的效果。2017年，先后研究了燃烧室从稳定运行自发转变为具有强烈自激热声振荡的燃烧模式的机理以及用于识别和表征燃烧室热声脉动开始前兆的分析工具。随后研究了燃料类型对燃烧室自激热声燃烧不稳定性趋势的影响，并持续至今。研究发现，对于固定的进气温度，燃料类型不会改变自激不稳定性模式类型，也不会影响共振频率。

综上所述，主动控制方法研究是振荡燃烧领域的研究热点，相关研究成果较为成熟。结合各代表性机构的发文特征可知，佐治亚理工学院针对振荡燃烧的研究焦点呈现先集中后分散的特点，由此可以推测，高校更加关注振荡燃烧的研究深度，针对某一主题开展系统研究，以期对这一主题的理解更加透彻；AFRL 针对振荡燃烧的研究焦点呈现较为分散的特点，由此可以推测，科研机构更加关注振荡燃烧的研究广度，从宏观把握振荡燃烧的方方面面，虽然针对各领域的研究数量不多，但是涉及的方面较为全面。