超声速条件下涡流发生器增强混合研究进展
作者： 谢海卫 张冬冬 王堋人 徐铮 谭建国
摘 要： 超声速条件下燃料与空气的高效掺混是实现超燃冲压发动机燃烧室高效燃烧的基本前提。 然而受到流动压缩效应和燃烧释热的影响， 超声速流动的混合过程受到了极大的抑制。 涡流发生器是目前研究最多、 应用最为广泛的混合增强技术之一， 按照几何构型的不同可将其分为波瓣混合器、 斜坡喷注器以及微型涡流发生器等。 本文按照先介绍结构和机理， 再介绍研究进展的顺序对波瓣混合器、 斜坡喷注器以及微型涡流发生器在超声速混合增强领域的应用进行了综述。 之后对涡流发生器和其他激励组合式混合增强技术， 如涡流发生器-斜激波诱导混合增强， 等离子体式、 振荡式涡流发生器等进行了介绍和技术展望， 指出其可实现未来超声速来流条件下宽速域、 动态时的高效混合。
关键词： 超声速流动； 涡流发生器； 混合增强； 超燃冲压发动机； 流向涡
中图分类号： TJ760
文献标识码： A
文章编号： 1673-5048（2025）01-0051-12
DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0123
0 引 言
超燃冲压发动机具有结构简单、 比冲高的优势， 是高超声速飞行器的动力核心， 受到广泛关注和持续不断的研究。 其中， 高速燃气与空气的高效混合是实现发动机高效工作的基本前提。 然而， 超燃冲压燃烧室中高效混合存在极大困难。 一方面， 超声速反应流动存在的可压缩效应和燃烧释热效应显著抑制了流动的混合； 另一方面， 燃烧室的尺寸限制导致气流在其中的停留时间为毫秒量级［1］， 如何在短时间内实现燃气与空气的高效掺混是超燃冲压发动机研究的关键技术难题之一。
为了实现高效混合， 学者们提出了一系列混合增强措施， 可分为主动增强混合技术和被动增强混合技术。 主动混合增强指通过机械、 声学、 电磁等方式向混合流场中注入动量和能量， 扰乱流动状态促进混合。 常见的激励方式有射流激励［2］、 机械振动［3］、 等离子体［4］、 声波激励［5］等。 主动控制技术有激励位置和参数易于控制的优点， 但也有在应用中引入外部激励难度大的缺点。 被动增强混合技术指在流场中引入扰动装置来激发流动三维不稳定特征进而加快混合。 该方法无需外界能量输入， 结构简单且可靠性高、 适用性强。 主要方法有涡流发生器［6］、 凹腔［7］、 斜坡［8］、 支板［9］、 后向台阶［10］等。 其中， 涡流发生器因其体积小、 结构紧凑、 混合效果显著的优势， 得到了广泛的研究和工程应用。
涡流发生器指通过在壁面阵列布置不同形式的微小装置， 如方板、 三角板、 肋条、 机翼、 楔形、 斜坡等形式， 通过诱导出同向或者反向旋转的流向涡， 将外部高能流体卷吸到近壁， 增加边界层内部流体的动量［11］， 进而实现对于流动分离［12］、 对流换热［13］、 薄膜冷却［14］、 混合增强［15］等问题的有效控制。
1947年， Taylor［16］利用一排翼型小板制成了最早的常规涡流发生器， 并通过改变翼型角度生成一系列的流向涡以控制边界层流动。 此后， 这种类型的固定涡流发生器在延迟流动分离［17］、 增加飞行器升力、 减小阻力［18］以及强化流动掺混等方面发挥了很大作用。 1972年， Kuethe［19］制作出尺寸小于附面层的微型涡流发生器， 验证了这种微型结构在降低尾流声扰动强度的良好性能。 随着高超声速飞行器动力系统的快速发展， 微型涡流发生器因其具有总压损失小、 流动控制效果较好的特点，
在面向高超声速飞行器应用的超燃冲压燃烧室高效燃气空气混合中广为应用［20］。
以波瓣混合器、 斜坡喷注器为代表的常规涡流发生器和微型涡流发生器是最为常见的三种涡流发生器， 本文针对这三种涡流发生器在辅助超声速混合增强方面的研究进展展开综述， 并对涡流发生器的发展趋势进行技术展望， 指出涡流发生器结合其他强化方法的组合式增强技术可实现未来超声速混合流动在宽范围、 动态来流条件下更高效的混合。
1 波瓣混合器
波瓣混合器一般设置于超燃冲压发动机内部支板或隔板的后缘， 在后缘上设计一系列上下交替出现的波瓣构型， 并将燃料喷射器设置于波瓣尾部。 如图1所示， 当气流经过波瓣混合器时， 会同时产生斜激波和膨胀波， 进而形成了一个上部的高压区和下部的低压区， 在压力差的作用下形成流向涡， 促进发动机内部两股不同速度的高速流在短时间内的快速混合［21］。
1995年， Tew等［22］最早通过实验探究了可压缩混合层中常规波瓣混合器产生流向涡的能力， 并对流向涡和可压缩性对混合增强的影响进行了定量分析。 实验发现， 波瓣混合器的混合性能几乎是平板构型的2倍， 而波瓣混合器诱导的流向涡在混合过程中发挥了重要作用。
至今， 除了常规波瓣混合器， 学者们也对矩形、 三角形、 正弦形等不同形状的波瓣混合器的混合性能及相关机理进行了研究。
2013年， Wang等［6］通过实验探究了矩形波瓣混合器诱导的大尺度涡的涡旋特性， 发现大尺度流向涡的演化具有很强的三维特性。 图2给出了流向位置为X=14/3l时流向涡图像和展向位置Y=-5/6l时流向涡演化图像。 由图2（a）可以看到， 二次不稳定性造成了大尺度流向涡的破裂分解； 图2（b）中， 流场中形成了由于K-H不稳定性形成的涡簇结构， K-H涡的发展对流向涡运动有显著影响。
2017年， Zhang等［23］通过实验探究了三角形波瓣混合器的混合增强机理， 实验装置如图3所示。 实验发现三角波瓣不同位置产生的流向涡在下游发展过程中形成了涡簇结构带， 观察到波槽处由于当地二次不稳定性诱导形成的U型马蹄涡结构， 如图4所示。 涡簇结构带破碎形成的小尺度涡结构之间的相互撕咬作用和U型马蹄涡结构的头部和腿部的强烈旋转和变形能有效促进混合。
实验同时得到了展向流向流场精细结构， 如图5所示， 并解释了三角波瓣混合器混合增强的一定机理。 由于波瓣两侧存在速度差， 展向K-H不稳定诱导的K-H涡从三角波瓣后缘脱落， 随着流向涡结构的形成和逐步增长， 流向涡和 K-H 涡相互作用， 这种相互作用显著增强了流动的三维特性， 使得更多的涡结构发生破碎， 混合效率得到提高。
2019年， Fang等［24］实验研究了矩形波瓣混合器、 弯曲板、 平板的下游混合层特性， 同样观测到涡簇结构、 U形涡结构等。 图6给出了波瓣混合器和弯曲板的流场对比图， 发现弯曲板下游流向涡被抑制消失， 说明波瓣混合器槽角产生的压差对流向涡的生成起到了重要的作用。
2020年， Fang等［25］又对两种不同波长比的正弦形波瓣混合器的混合性能进行了实验研究， 并将其和矩形波瓣进行了比较。 结果发现， 正弦形波瓣混合器槽间压差较小， 当喷射角较小时， 下游不会出现流向涡， 但同样具有一定的混合效果。
波瓣混合器的高度、 扩张角、 波长比、 喷射面积等参数对混合性能也有很大影响。 2001年， Abolfadl等［26］在低速风洞中通过实验探究了波瓣混合器的几何尺寸的变化对混合性能的影响（所用波瓣混合器模型及几何参数表示如图7所示）。 研究发现， 混合效率随着波瓣扩张角α和波瓣高度h的增加而增加， 当波瓣扩张角为20°， 波瓣高度h等于波瓣波长w时， 混合效率取得最大值； 随着波长w的增加， 波瓣后缘流场的混合效率有稍微下降， 远场混合效率随之增加。 2007年， Gerlinger等［27］对波瓣混合器在超燃冲压燃烧室中的燃烧、 混合增强效果进行了数值模拟， 比较了三种具有相同几何形状但喷注面积不同的波瓣注射器（波瓣注射器后视图如图8所示， 黑色区域表示H2喷注区域）的混合性能， 研究发现， H2喷射位置的改变导致了诱导涡位置的变化， H2喷射区域应与涡旋覆盖区域相匹配。
2014年， 程晓军等［28］对方形波瓣混合器对涡轮基组合循环发动机燃烧室的涡扇涵道和冲压涵道两股气流的掺混效果进行了数值模拟研究， 发现扩张角对方形波瓣混合器的热混合效率的影响起主要作用， 而出口高度的影响不大； 当方形波瓣混合器的波长比为1.0时， 方形波瓣混合器具有高效低阻的掺混特性。 2023年， Li等［29］研究了正弦形和矩形波瓣混合器对亚音速-超声速混合层的发展特性的影响， 发现正弦形具有优越的混合效果， 波长比对混合效果影响很大（图9给出了不同波长比的正弦形波瓣混合器示意图）， 通过量纲分析发现， 无量纲波长比大于1时会出现正的混合效果， 而当无量纲波长比为1.905时， 混合层厚度生长速率提高了近12%。
由此可见， 利用不同种类的波瓣混合器增强混合时， 除了考虑设计复杂性， 还应充分考虑波瓣混合器相关参数的选取， 如矩形波瓣混合器的波瓣扩张角、 波瓣高度， 正弦形波瓣混合器的波长比， 喷注区域的匹配等， 以得到最佳的混合效果。
2 斜坡喷注器
斜坡喷注器指在斜坡尾面添加燃料射流孔， 燃料以一般水平入射或以一定角度倾斜入射， 射流同斜坡产生的涡结构相互作用， 可起到超声速流场中混合增强的作用。 常见的斜坡喷注器构型有压缩斜坡、 膨胀斜坡和悬臂斜坡， 其中每种又可分为有后掠形和无后掠形。 图10给出了常见的压缩斜坡和膨胀斜坡示意图。