超燃冲压发动机主动式掺混增强技术研究

王文龙　蔡子林　马岑睿　王宏宇

摘要：燃料的掺混增强技术是现代超燃冲压发动机的关键技术， 针对如何使燃料充分掺混， 研究人员发展了多种掺混增强方法， 主要分为主动式和被动式两类。 主动式掺混增强技术是依靠大尺度的自激励来提高燃料的掺混程度， 因其易于控制、 結构简单等优点逐渐受到研究人员的青睐。 本文针对三种主动式掺混增强技术： 等离子体能量沉积辅助掺混技术、 波形/粗糙壁扰流技术和脉冲射流扰流技术进行了讨论， 介绍了其研究现状和发展前景， 并对未来的发展趋势进行了合理的展望， 为未来超燃冲压发动机燃烧室内燃料掺混增强技术的进一步优化发展提供了思路。

关键词：超燃冲压发动机； 掺混增强； 等离子体能量沉积； 波形/粗糙壁扰流； 脉冲射流扰流

中图分类号： TJ760; V436文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2023）03-0112-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0161

0引言

作为未来高超声速飞行器的理想推进装置， 超燃冲压发动机在航天航空领域中备受瞩目， 由于可以在攀升过程中从大气里获得氧气， 所以无需携带氧化剂， 在消耗相同质量燃料的条件下， 超燃冲压发动机可以产生4倍于火箭的推力。 在使用碳氢燃料时， 装备超燃冲压发动机的飞行器飞行速度一般在8马赫数以下， 当其携带液氢燃料时可以使飞行器的飞行速度达到6～25马赫数。 因为具有结构简单、 质量轻便、 高马赫数飞行时比冲大的特点， 其在巡航导弹、 高超声速飞行器等方面拥有广阔的应用前景［1］。 在正常工作状态下， 超燃冲压发动机内流道中气流的驻留时间为毫秒级［2］， 如何保证发动机在如此短的时间内完成燃料掺混、 点火并实现高效稳定的燃烧， 是一个困惑科研人员已久的难题。 因此， 增强燃料高效快速的掺混是超燃冲压发动机研制过程中面临的重要问题［3-7］。

燃料掺混增强技术按照其作用方式可划分为主动式和被动式两类［8］。 常见的被动式掺混增强技术有凹腔、 斜坡、 支板、 台阶等， 原理一般是通过产生的流向涡、 回流涡等促进燃料掺混； 而主动式掺混增强技术有脉冲射流、 FLIP-FLOP喷嘴、 声学激励等， 原理一般是采用大尺度外加激励来促进燃料掺混。 目前一些常见的主动和被动掺混技术中， 主动式掺混增强技术因为其易于控制和掺混效果良好正逐渐受到研究人员的青睐。 近些年来， 随着对主动掺混增强技术研究的深入， 一些有代表性的主动掺混方法进入了研究人员的视野： 如等离子体能量沉积辅助掺混技术、 波形/粗糙壁扰流技术、 脉冲射流扰流技术。 本文介绍了这三种前沿技术的研究现状和国内外最新的研究进展， 并结合实际对未来的发展前景做出了合理的展望， 最后对各种方式的优缺点进行了总结。

1等离子体能量沉积辅助掺混技术

等离子体能量沉积辅助掺混技术是一种有能量注入的主动控制技术［9］， 其原理在于利用等离子体放电诱导的力/热扰动对流动加以控制。 等离子体能量沉积的响应时间一般不超过1 ms， 频率可低至10-2  Hz， 而最大可到102  kHz量级的范围； 激励器的结构相对简单， 易于安装和大范围布置， 不容易引起初始的气动型面的剧变， 且易于掌控［10］。 等离子体流动控制研究在国际社会上引起重视已久， 2009年， 以等离子体气动激励为代表的主动流动控制技术被美国航空航天学会（AIAA）列为10项航空航天前沿技术的第5项。 国外的等离子体流动控制研究已经开展了几十年之久， 最早由美国于20世纪60年代开始研究， 相较于国内有丰富的经验， 其早期的研究主要针对高超声速飞行器阻力， 而近十多年来， 在亚声速等离子体流动控制方面的研究逐渐增多［11-12］。 国内作为后期之秀， 也取得了一定的研究成果。 文献［11］对现有的几类等离子体激励器进行了归纳总结；文献［13-14］通过一系列研究等离子体流动控制的实验和模拟初步揭示了等离子体体积力的作用机理， 为后续研究打下了基础； 文献［15］将等离子体激励器沿轴向放置来产生周向旋流， 从而获得了机械式旋流器的效果并取得较好控制性。 本文所提及的等离子体能量沉积辅助掺混技术也是在高速流动控制中一种备受关注的方法， 该方法是利用微/纳秒时间尺度的气体放电极速放热所形成的局部力、 热冲击， 通过流场输运的动量和能量给流场施加非定常扰动， 具有响应时间短、 强度大、 频度宽等特点， 并可根据来流条件的变化调整工作状态， 在高速流动控制方面有一定的优势［16-18］。

1.1等离子体能量沉积辅助掺混技术研究进展

由于等离子体能量沉积激励器不侵入流场， 可弥补物理装置带来的阻力和总压损失大的技术缺陷， 有研究者考虑将其作为增强燃料掺混的辅助手段， 并探索了掺混增强机理。 20世纪60年代中期， 通过聚焦激光束达到高辐射能量密度来实现气体击穿的方法被发现［19-20］， Adelgren 等［21］实现了脉冲激光能量沉积； Yan等［22］通过实验， 给出了脉冲能量为145 mJ、 脉宽为10 ns的远程微波能量沉积经过20 μs后的温度和压力等值线分布， 如图1～2所示。

2006年， Leonov等［23］通过实验证明了电弧能量沉积产生的极速湍流膨胀效应（如图3所示）对非预混多组分流动的掺混具有促进作用。 2017年， Leonov等［24］研究了准直流放电对超声速燃烧室直接射流气体燃料（H2和C2H4）的点火和火焰保持效应， 尝试了不同的压力、 燃料质量流量、 几何构型和放电功率。 实验证明氢的燃烧和火焰保持是通过等离子体射流模块（PIM）的H2+C2H4联合喷射。 2018年， Leonov等［25］通过凹腔和等直流放电器对超燃冲压发动机掺混效果的实验， 发现由等离子体引起的激波对凹腔上方的剪切层有两方面的影响： 一是增强了混合； 二是增加了空腔内的压力， 导致了流动结构的改变。

Samimy［26］设计了一种面向高速内流控制的等离子体能量沉积装置， 并论述了其在掺混增强方面的作用， 如图4所示。

严红等［27-29］通过LES模拟研究脉冲能量沉积在圆管自由射流掺混中的控制效果等一系列仿真和实验， 证明了在一定激励频率下脉冲能量沉积能够有效促进射流剪切层大尺度结构的发展， 并发现当能量沉积位于射流上方时， 更有利于射流剪切层大尺度涡结构的形成和发展， 从而实现更好的掺混， 如图5所示。

Ombrello等［30］通过实验研究了瞬态高压、 高温、 高速爆轰脉冲在M2射流中的掺混增强作用， 利用高帧率影像和平面激光诱导荧光技术研究了爆轰羽流与超声速流动的相互作用。 结果表明， 爆轰脉冲发生器在某一距离时会使掺混效果最好。

Rogg等［31］对重复激光火花激励法在超燃冲压发动机燃烧室中的掺混增强效应进行了数值研究， 研究了单个激光火花对掺混的影响与重复激光火花影响的区别。 结果发现， 重复的激光火花比单一的激光火花更能增强掺混效果。 主要的掺混增强途径来自于火花激励引起的混合体积的增加。

Zheltovodov等［32］基于欧拉方程的数值模拟证明了脉冲能量沉积可以提高强超声速气流与低密度超声速同向射流之间的掺混效果。 在最新的研究成果中， Liu等［33］通过求解三维非定常流动的雷诺平均N-S方程， 在空间和时间上研究了脉冲能量沉积对超声速圆射流混合增强的机理。 结果表明， 射流内部的能量沉积对射流掺混的促进作用要比之前射流上方的能量沉积更有效。 射流掺混效果的增强主要是通过能量沉积区与斜激波相互作用引发的大尺度涡来实现的。

1.2等离子体能量沉积辅助掺混技术的未来研究趋势和发展前景

近年来， 在主动控制技术的等离子体能量沉积辅助掺混技术方面， 脉冲电弧放电和等离子体合成射流激励器呈现出高强度、 宽频带的特征， 在 STBLI（激波/湍流边界层干扰）的控制中受到了重点关注［34-37］， 但在实际运用方面还需要摸索。 目前的超燃冲压发动机主要以工作马赫数范围较窄的弹用尺寸为主， 比如美国 X-51A“乘波者”高超声速飞行器， 只实现了使用的马赫数为4.8～5.1范围的飞行验证， 而该飞行器的设计飞行马赫数在6～6.5之间， 根本无法满足需求［38］。 所以宽域、 火焰稳定等技术需求亟待在未来的超燃冲压发动机上实现。

针对上述问题， 国外提出了利用等离子体能量沉积辅助掺混技术促进超声速横向射流掺混的科学构想， 比如通过等离子体能量沉积的“诱导流向涡”和“湍流膨胀效应”之类的效应及其与横向射流诱导的 STBLI 相互作用的方式来提升横向射流的掺混效率。 发展使用高频脉冲放电等离子能量沉积掺混增强的新方法并研究这些效应如何相互作用来增强横向射流掺混的机理成为了未来十分有用的研究方向， 目前有一些可能有利于掺混的猜想， 如图6所示。

而对于等离子体能量沉积辅助掺混技术的数学物理模型建立和仿真方法方面， 还存在重重困难［10］。 在高马赫数和高雷诺数下的RANS 方法对于模拟该类激励过程， 精度远远不及LES模拟， 而LES模拟计算需要漫长的周期和巨大的花费， 这是一个难以避免问题； 未来需要基于多物理场耦合的数值模拟结果以及具有更高空间与时间精度的实验数据来建立更高精度的数学模型， 这些问题都亟待解决。

2波形/粗糙壁扰流技术

波形/粗糙壁扰流技术在超声速混合增强方面的研究是近几年才兴起的。 其本质是激波发生器， 大量的实验和计算研究证实了燃烧室中的激波发生器可以有效地提高燃料的掺混效率［39-44］。 其主要原理为： 由高超声速来流流过波形壁的表面波产生的激波与射流相互作用， 从而引起流场的变化而导致其掺混作用的增强。 原理图如图7所示。 作为一种新兴的主动混合增强技术， 其在未来的应用方面十分有前景。

2.1波形/粗糙壁扰流技术研究进展

波形/粗糙壁扰流技术在高超声速流动方面的运用与粗糙表面的STBLI息息相关， 然而根据现有资料［45］， 关于粗糙面的STBLI研究少之又少。 研究者都观察到了粗糙表面对流动显著的影响， Disimile［46］通过对一逆壓梯度作用下粗糙表面的可压缩湍流边界层特性进行研究， 观察到流动的分离因为粗糙度而扩大， 这证明了粗糙度对流动的影响， 哪怕是低粗糙度也能增强粗糙面STBLI分离［47］。

2018年， Rahman等［48］对受到斜激波撞击的在平面上变化的湍流边界层进行了数值计算， 采用SST k-ω模型进行三维雷诺平均N-S （RANS）稳态模拟， 在部分壁面中构造波形壁面， 研究其对激波湍流边界层的影响， 发现波形面的频率比波长对平均流量有更重要的影响。

2019年， Gerdroodbary等［49］研究了上游波形壁对氢燃料射流混合效率的影响， 通过CFD数值模拟研究了几组不同波长和频率的波形壁在不同来流马赫数下掺混效率的变化。 结果表明， 相同条件下， 当来流马赫数从2增加到4时， 燃料的混合效率有显著增强。 正弦波形壁振幅增大或者马赫数增大时， 射流上游的回流区明显增大， 如图8所示， 这是混合增强的原因之一。

Manh等［50］采用同样的数值方法模拟了上游波形壁对喷油器下游氢横向射流分布的影响。 结果表明， 正弦波可以极大地改变超声速燃烧室内的流动特征， 并且回流区也出现了正弦壁和超声速来流相互作用而产生了两种激波： 弓形激波和分离激波， 而高振幅的波形壁诱导产生的弓形激波显著提高了混合效率。 Li等［51］进一步采用数值模拟的方法研究了上游正弦波形壁的频率对氢气横向射流的影响， 发现当正弦波形壁的频率足够高时， 混合速率显著增加——频率为1 200 Hz的正弦波形壁可以使混合效率大约增加25%以上。 2019年， Li等［52］将正弦波形壁安置在射流上游燃烧室上壁面并使用了多孔射流技术， 研究后发现， 正弦波形壁增加了超燃冲压发动机氢气的混合效率。 此外， 正弦波形壁增幅的增大也有利于燃烧室内燃油射流与超声速主流的混合（如图9所示）， 同时还发现了诱导激波强度增加对燃料掺混也有显著的促进作用。

2021年， Jiang等［53］研究了多个射流孔下游正弦波形壁作用下多氢射流的混合与分布， 利用SST湍流模型对马赫数为4的多孔氢射流进行了数值模拟。 研究结果表明， 增加下游波壁的频率可以极大地影响燃油在下游的分布。 最后得到的结果清楚地显示， 下游波壁通过背压和压缩波增加了射流的法向动量， 改善了射流下游的燃油混合。 但是这种效应仅限于正弦波区顶部的局部区域， 同时也发现波形壁在喷孔下游的情况中过大的频率会影响掺混效果， 这是由于靠近末喷流的波壁将末喷流推向上游， 限制了末喷流的扩张。 Tong等［45］对30°斜激波与超高声速湍流边界层的相互作用采用DNS方法进行了模拟， 研究了其在有波形壁面上的相互作用， 并与相同流动条件下只有平壁面的数值进行了比较。 通过系统研究波形壁对流场流动、 表面摩擦、 压力和湍流动能的影响和湍流动能分析表明， 在近壁面区域， 流场的扩散和输运均显著增加， 而耗散在近壁面区域也会增大。 波形壁的存在明显地改变了近壁区域的流场， 但对外层的影响不大， 图10（a）～（b）分别为平面壁和波形壁的湍动能云图， 粉色实线和灰色虚线分别代表平均声波线和分离流线。 根据研究成果可以发现， 波形壁对掺混效果的影响与其来流马赫数、 波形振幅、 频率以及其分布位置有关。

2.2波形/粗糙壁扰流技术未来研究趋势和发展前景

波形/粗糙壁扰流技术作为一种新兴的主动掺混方式， 其优点不仅在于成本低、 掺混效果好、 易于控制， 更在于易于维护。 但由于是新兴的掺混方式， 故其还需要进一步研究。 目前， 有研究人员将波形壁与一些被动式掺混方式结合在一起， 利用多喷孔喷射系统增强了燃烧室内的燃料混合和渗透。

波形/粗糙壁扰流技术的运用一般和壁面多孔横向射流技术结合在一起。  与单孔横向射流技术对比， 双孔

横向射流技术具有混合效率大、 燃料穿透深度大等优势， 其下游喷孔射流所产生的马赫盘比上游喷孔所产生的马赫盘位于更高的位置， 且其尺寸更大［54］， 上游射流有效阻挡了来流对下游射流的冲击， 一定程度上促进了燃料掺混的增强， 其机理如图11所示。

在波形壁和多孔射流结合方面， 发现随着多孔射流数的增大， 射流面积也随之增大， 射流空间的增大加剧了喷气出口内部小环流的形成， 从而增强了燃油的分布。 波形壁和多孔射流的结合有效提高了掺混效率， 未来波形壁和多孔射流的结合方式为超燃冲压发动机的研制提供了新的思路。

对波形壁的研究不仅可以用于波形壁面， 由于波形壁增加掺混的原理是通过激波作用于流场， 有相关研究人员利用波形表面的不规则和粗糙的特征， 将其运用到其他掺混控制方式上去。 Kummitha等［55-56］对一种波形支板喷油器（如图12所示）进行流场仿真， 发现采用波形支管喷油器后， 斜激波数量增加， 波形面的设计提高了湍流度从而导致了混合的增强， 通过分析得出其对空气和燃油的掺混有明显增强作用。

波形/粗糙壁扰流技术是未来理想掺混增强方式， 但是其目前的研究仅停留在数值仿真阶段， 未来还需开展地面风洞试验进行深度研究， 和仿真结果进行对比和改进。 同时， 波形壁和其他被动掺混方式比如多孔射流的方法进行结合也可以很大程度地提高掺混效率， 但这方面的研究少之又少， 要实现应用， 未来还有很长的一段路需要走。

3脉冲射流扰流技术

脉冲射流扰流技术的作用对象和前两种掺混方式有一定区别， 这种技术是通过对射流施加激励来对流场造成扰动以达到改善掺混效果。 该技术最早要始于FLIP-FLOP喷嘴， FLIP-FLOP喷嘴这个概念是20世纪60年代的研究产物， Viets［57］将这个概念应用到喷管上用来获得推力矢量。 根据选定的几何形状， 喷嘴可以在任何频率下以任何方向振荡， 可以利用声激励来控制振荡的相位， 当其像Hartmann-Sprenger 管一样施加纵向压力时， 出口的空气流动方向可以被任意控制。 这种喷管被认为是一种不需要任何运动部件就能产生振荡射流的射流装置。 其基本构型主要由主喷管、 腔室、 连接管和控制端口组成， 示意图如图13所示。

脉冲射流可以说是FLIP-FLOP喷嘴的延续， 最早的研究是在20世纪90年代初， Randolph等［59］表明， 低频脉冲（1 Hz）的氦在马赫数 2.5的横向射流中的穿透深度比相同动量通量值的稳定射流平均深12%。 在低速不可压的射流实验中， 射流在喷嘴出口处由于与周围环境存在速度梯度而形成剪切层， 导致产生剪切涡， 剪切涡会促进射流向周围环境扩散， 这可能是脉冲射流的作用原理之一。 横向脉冲射流对于穿透深度和混合的影响可以归纳为三点： 一是脉冲射流可以诱发更大的起始涡环， 有利于促进燃料掺混； 二是在脉冲射流频率较高的条件下， 相邻涡环间会发生提高穿透深度并促进混合的相互作用； 三是可以在固定射流质量流量的条件下提高能直接决定射流-来流动压比的喷注压降。 鉴于上述三点优势， 未来有很大的发展空间。

3.1脉冲射流扰流研究现状

Kato等［60］发现当射流速度处于动态变化的条件下时， 在喷嘴出口处诱发的更大尺寸的涡环将会加快掺混速度； Raman等［61］采用压阻式压力传感器和皮托管探头等设备对FLIP-FLOP喷嘴的射流进行了非定常速度和压力测量， 利用高速摄影的烟流可视化技术记录了射流的振荡， 如图14所示。 同时， 将适用范围从原来的低声速拓展到了高声速。

Johari等［62］研究了横向脉冲射流中穿透深度和混合方面的关系， 这实际上取决于靠近喷嘴处的涡旋作用； 其还研究了占空比对脉冲射流的影响， 结果发现， 在固定的喷注时间内， 增加占空比可以减少喷射穿透。 短喷注时间脉冲射流的稀释和混合也比稳定射流得到改善， 对于分离效果较好且喷注时间较短的脉冲， 混合效率的最大增幅约为50%。 随后， Johari等［63］提出一种基于射流脉冲冲程比和脉冲占空比的全脉冲射流分类方案， 并给出喷嘴附近和远场内流动结构相互作用的判据。 Mi等［64］使用冷丝探针对喷管的扰动射流和非扰动自由射流进行温度测量， 结果发现， 扰动射流对比非扰动射流而言， 其周圍流体的混合速率更高； 该研究同时表明， 扰动射流的斯特罗哈尔数对射流混合有显著影响： 在高斯特罗哈尔数时， 混合性能较好。 Bender等［65］通过实验和数值模拟表明， 正弦脉冲空气射流确实改善了稳定不可压缩流的穿透效果。 Eroglu等［66］通过化学反应激光诱导荧光实验， 研究了周期性扰动对横向射流结构和掺混的影响， 证实了在稳态和非稳态条件下涡环的产生过程： 在低频脉动条件下采用方波形式脉冲的涡环比稳定射流穿透更深。 Koso等［67］通过测量整体平均速度和压力， 研究了喷管扩压器通道喉道宽度对射流振荡的影响。 结果表明， 随着喉道宽度的减小， 振荡频率略有增加， 当喉道宽度小于一定宽度时， 振荡最终停止。 2007年， Naruse等［68］提出了一种新型FLIP-FLOP喷嘴， 其由主喷管出口、 侧壁和目标体组成， 然后通过实验证明了其效用性， 即简单地利用滑动侧壁控制射流方向和振荡频率。 实验结果表明存在两种射流振荡现象， 一种出现在侧壁长度较短时， 另一种出现在侧壁长度较长时。 其装置示意图如图15所示。

Kouchi等［69］进行了实验和二维RANS数值模拟。 实验结果显示， 对于一定的注射压力， 脉冲射流在注射压力上升阶段的穿透比在注射压力下降阶段的要高， 脉冲射流在喷嘴附近的涡强度大于稳态射流； 数值模拟显示， 脉冲频率的过度变化会影响射流流场趋于定常射流状态， 在最佳脉冲射流频率10 kHz的条件下， 射流穿透深度相较于原来可以提高大约60%。 Cutler等［70］研制了一种新型高速高频脉冲射流喷注器， 其频率可达13 kHz； 同时， 研究了声速的氦气脉冲喷注进入超声速气流时的喷注效果。 结果表明， 随着脉动和氦穿透深度的增加， 平均羽流横截面尺寸适度减小。 Williams等［71］利用FLUENT建立了冷流数值模型， 研究频率为8 kHz， 16 kHz， 24 kHz和32 kHz时的脉冲射流， 发现当16 kHz时氢射流对超声速气流的穿透作用最大， 掺混效果最好， 部分马赫数等高线如图16所示。

Yang等［72］研究了低流速情况下射入静态空气中的脉冲液体射流的破碎情况， 发现射流在低频处表现出强响应， 在高频处表现出相应的弱响应。 Kento等［73］采用CFD数值模拟的方法对FLIP-FLOP喷嘴的射流进行了仿真模拟， 从一个近似的动量方程出发， 导出了横隔板的工作振幅与频率的关系， 而后通过对Re=100时的振荡射流进行数值模拟来验证这个关系。 结果发现当膜片的工作速度满足所提出的关系时， 射流振动与膜片振动同步。 虽然上述研究人员对FLIP-FLOP喷嘴有了一定的研究， 但对其振荡机理尚未完全理解。 对此Inoue等［74］在对连接管和喷管内部压力和速度测量的基础上， 研究了喷管的振动机理， 先引入压力对时间的积分作为累积流动功， 以单端口控制实验作为对照， 发现累积的流动功足以决定射流振荡的主导频率。 2019年， Chen等［75］使用RANS方法数值模拟了HyShot Ⅱ型超燃冲压发动机二维和三维状态下的氢气燃料脉冲射流流场。 研究发现， 在脉冲燃料喷射过程中， 由于总压脉冲导致喷油器内部形成了复杂的波结构， 这些波导致了燃油流的波形分布。 虽然无法直接证明脉冲喷射会增加燃料穿透深度， 但却观察到很高的湍动能水平。 随着区域湍动能的增加， 脉冲燃料喷射掺混效率提高了30%左右， 同时， 脉冲频率也对湍动能有一定影响， 如图17所示。

Zhao等［76］采用基于SST湍流模型的URANS模拟方法， 研究了超声速横流中脉冲频率和振幅对射流流场和掺混效果的影响。 在考虑射流激励频率影响的情况下， 50 kHz的脉冲频率存在最佳掺混效果， 氢在远场下游的最大质量分数的衰减率与脉冲射流的频率有关； 此外， 总压恢复系数受脉冲频率和振幅的影响较小。 孙永鹏［77］利用RANS研究了对空气射流施加激励对流场结构以及燃料混合性能的影响， 发现脉冲频率为50 kHz时， 对燃料／空气的掺混效果最好， 这验证了之前文献［76］的研究。 随后， Zhao等［78］又采用大涡模拟方法， 研究了10°角下超声速横流中频率最佳的脉冲射流強化混合燃烧机理： 在脉冲射流中存在顺时针旋转剪切层涡结构和逆时针旋转剪切层涡结构， 而在稳定射流中只存在一种逆时针旋转剪切层涡结构， 而这些不同尺度的结构对混合过程和火焰分布有显著影响； 同时， 发现最佳脉冲射流频率为40 kHz。 为了进一步验证这一理论， 在脉冲射流频率为40 kHz的条件下进行了URANS模拟， 发现掺混和燃烧效率获得进一步提高。

2021年， Hirata等［79］在压力和速度测量的基础上， 研究了带有一个反馈回路的经典FLIP-FLOP喷嘴的振荡频率。 研究者用三角波模拟了连接管两端压差的轨迹， 并对连接管内的流速进行了计算， 发现基于此得到的累积流动功预测的射流振荡频率与实验结果吻合较好。 Sasongko等［80］在开环风洞实验中， 研究了后倾角对脉冲射流横流流动和射流色散特性的影响， 发现较小的射流后倾角会导致射流扩散和横向射流扩展宽度的增大， 在射流后倾角为20°时， 射流扩散指数和横向射流扩展宽度达到最大值， 在射流后倾角小于20°的位置设置射流后倾角可使脉冲射流在横流中的扩散增加。

3.2新型射流组织与喷注技术

关于未来FLIP-FLOP喷嘴的发展前景， 目前来说主要有两个方面： 第一是射流振荡机理的补充完善； 第二是在实际应用中仍然有一定的发展空间。

对于其射流振荡机理， 研究人员目前尚未完全理解。 射流振荡的频率f主要取决于连接管的长度、 体积、 流量、 喷嘴的几何形状等参数， 然而， 根据现有的经验公式仍然存在较大的误差。 阻碍精确数学模型建立的主要因素之一是FLIP-FLOP喷嘴内部流动的时间和空间复杂性， 例如， 准稳态方法不适用于非常低的主导频率， 而动量理论方法很难设置控制体积。 对此， 未来需要采取更有效的方法来更深一步研究FLIP-FLOP喷嘴的射流振荡机理。

而对于脉冲射流在超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混方面的应用， 在实际中还尚在起步阶段， 目前针对脉冲射流的研究大都是采用数值模拟进行的， 在实物实验方面的研究还有一定欠缺， 未来还有很大的发展空间。

脉冲射流中波形以正弦变化是比较好的方式， 脉冲的频率在特定工况下具有最优值， 但是这与射流条件等因素有关。 脉冲频率的选择是一个需要考虑的问题， 目前并未找到频率和流场之间的内在联系， 而且实验的压力变化相较与仿真压力变化具有滞后性。 所以未来可以将实验和仿真相结合， 建立比较完善的频率选择法则。

4总结与思考

本文介绍了等离子体能量沉积辅助掺混技术、 波形/粗糙壁扰流技术、 脉冲射流扰流技术三种新型主动式掺混增强技术的研究进展和发展前景， 得出了以下结论：

（1） 等离子体能量沉积辅助掺混技术是一种利用激励器产生等离子体诱导射流对流体的流动加以控制的主动式掺混技术， 其最大的特点就是可以在不侵入流场的情况下利用极小的时间尺度通过气体放电极速放热给流场施加非定常扰动。 其优点十分显著， 即易于控制， 反应快。 但对于其掺混效果的机理还有待研究， 未来可以使用多个激励器对流场施加全方位扰动， 探究多个激励器对流场扰动的影响。

（2） 波形/粗糙壁扰流技术是一种通过高超声速来流流过波形壁的表面波产生的激波与射流相互作用从而引起流场的变化而导致其掺混作用增强的主动式掺混技术， 是通过改变内流道壁面的粗糙度进而通过激波对射流进行作用来改变掺混效果。 其结构简单， 掺混效果良好， 但目前研究尚在起步阶段， 缺乏实验验证， 且对这项技术的研究并不全面。 未来可以利用多孔射流等技术与之进行结合来提升掺混效果， 同时也可以利用波形结构粗糙不平的特点作用于类似支板一类的其他结构上以提高掺混效果。

（3） 脉冲射流扰流技术主要介绍了FLIP-FLOP喷嘴和脉冲射流技术。 其是通过横剪切涡促进射流向周围环境扩散的主动式掺混增强技术， 优点在于掺混效果好， 易于控制。 但是弊端也很明顯， 比如FLIP-FLOP喷嘴结构比较复杂， 同时射流振荡机理尚不明确， 需要进一步研究。 脉冲射流的脉冲频率选择是一个需要考虑的问题， 但目前并未找到频率和流场之间的内在联系， 难以选择最佳频率。 对FLIP-FLOP喷嘴来说， 未来的发展前途第一是射流振荡机理的补充完善， 第二是在燃烧室中的实际应用。 而对于脉冲射流， 一是在实物实验方面需要加深研究， 二是要建立比较完善的频率选择法则来选择最佳频率。

（4） 虽然本文所介绍的方法仍处于理论与实验研究阶段， 且这些问题都会对设计产生不利影响或者加大实现难度， 目前还难以完全应用， 但随着时代的进一步发展， 超燃冲压发动机的技术愈发趋近于成熟， 新一代高超声速飞行器对燃料的掺混提出了更高的要求， 主动式掺混增强技术作为未来理想的掺混方法， 不仅可以很好地减轻发动机重量和内部阻力， 更可以诱导产生更多流向涡对和激波系来形成规模庞大的低速回流区， 在高速来流的条件下更好地使燃料和空气掺混。 同时， 可以与被动掺混方式进行有机结合， 对新一代高超声速超燃冲压发动机提供有力的支持。

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Summary of Active Mixing Enhancement Technology for Scramjet

Wang Wenlong1， Gai Zilin1， Ma Cenrui1， Wang Hongyu2

（1. Air and Missile Defense College， Air Force Engineering University， Xian 710051， China;

2. Institute of Ultra High Speed Aerodynamics， China Aerodynamics Research and

Development Center， Mianyang 621000， China）

Abstract： Fuel mixing and enhancement is the key technology of modern scramjet engine. In view of the problem of how to fully mix fuel， researchers have developed a variety of mixing enhancement technologies， which are mainly divided into active and passive types. Active mixing enhancement technology relies on large－scale self－excitation to improve the mixing degree of fuel， and is gradually favored by researchers because of its advantages of easy control and simple structure. This paper focuses on three active mixing enhancement technologies： plasma energy deposition assisted mixing technology， waveform/rough wall disturbed flow technology and pulse jet turbulence technology， summarizes their research status and development prospect， and makes a reasonable prospect for the future development trend， which provides ideas for the further optimization and development of fuel mixing enhancement technology in the future scramjet combustor.

Key words：  scramjet; mixing enhancement; plasma energy deposition; waveform/rough wall disturbed flow; pulse jet turbulence

收稿日期： 2022-08-04

*作者簡介： 王文龙（1987-）， 男， 河北邢台人， 硕士。