超聲速燃燒不穩定的尺度效應分析

劉銘江，趙國焱，孫明波，湯 濤，李 亮，汪洪波

(國防科技大學空天科學學院高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，長沙 410073)

目前，發展具有實用意義的高超聲速飛行器逐漸成為各大國的迫切需求.在傳統大氣層內飛行器飛行馬赫數受限的情況下，能夠克服飛行馬赫數上限的超燃沖壓發動機被認為是最為理想的大氣層內高超聲速飛行的動力裝置[1].

傳統的亞燃沖壓發動機在高速飛行時，來流增壓減速為亞聲速，氣流靜溫急劇升高，對燃燒室材料的耐溫性能要求也迅速升高，同時高靜溫使得燃料發生熱分解，吸收熱能，降低能量釋放效率.超燃沖壓發動機在超聲速氣流中組織燃燒，發動機熱力循環在較低的靜壓和靜溫下進行，在理論上解決了實現高馬赫數飛行可能性的問題.但與此同時也帶來了新的問題例如，王振國等[2]指出超聲速燃燒相比于普通燃燒具有以下3 個特點：來流速度快、燃料駐留時間短；燃燒與流動強耦合；燃燒過程熵增較大.因此，實現超燃沖壓發動機內超聲速氣流的高效穩定燃燒成為了需要突破的技術難點.

針對超聲速氣流中燃燒難以穩定的問題，各種火焰穩定器應運而生.其中，凹腔火焰穩定器得到了非常廣泛的應用[3]，之后又被大量試驗證明其配合橫向射流噴注是穩定火焰的一項有效手段[4-5].

理論上通常認為超聲速氣流流經凹腔時，凹腔中會形成低速回流區，由于回流區流速較低，火焰能夠持……