航空發動機振蕩燃燒文獻研究

薛碧瑩

(中國航發沈陽發動機研究所 遼寧沈陽 110015)

振蕩燃燒，也稱不穩定燃燒，是燃燒放熱反應脈動引起的燃燒速度和釋熱率的周期性變化與燃燒室的聲學特性發生共振而產生的不穩定燃燒現象[1]，常出現在燃氣輪機燃燒室、航空發動機主燃燒室和加力燃燒室、固體/液體火箭發動機以及工業鍋爐等各種燃燒裝置[2-4]。當振蕩燃燒發生時，會導致燃燒裝置乃至整個系統劇烈振動，發出巨大噪聲，熱負荷增高，加劇污染物排放，影響燃燒裝置乃至整個系統的正常工作，嚴重時還會造成系統部件損傷和破壞[5-7]。

長期以來，振蕩燃燒是國內外眾多研究人員為之努力和關注的一個方向，做了大量研究工作，但是，由于振蕩燃燒是一個很復雜的問題，其本身涉及了燃燒、流動、傳熱、聲學等多個學科，因此，對于振蕩燃燒的相關研究還有待進一步深入。該文采用科學計量法和文獻綜述法，對國外振蕩燃燒研究的發文量、作者、機構以及自由詞進行分析，結合統計結果，對核心文獻進行分析，管窺振蕩燃燒領域的研究熱點。參照國外研究成果，以期為我國航空發動機研制提供借鑒和參考。

1 數據采集與研究方法

1.1 數據采集

為客觀認識航空發動機振蕩燃燒相關情況，該文以美國工程索引（EI）為數據源，對其刊登的航空發動機振蕩燃燒相關文獻進行文獻研究。

為保證文獻查全率和查準率，該文以“主題/標題/摘要=振蕩燃燒/不穩定燃燒”為檢索式進行快速檢索，包括“oscillation combustion、combustion oscillation、combustion instability、unsteady combustion、unstable combustion”這5組檢索詞。為保證文獻內容更具借鑒和參考意義，國家限制為美國、英國、德國、法國和俄羅斯這5個航空發動機技術領先國家。時間限制為2020年12月31日，文獻類型選擇Journal Article 和Conference Article，語言選擇English。對搜集到的數據進行清洗，剔除與航空發動機振蕩燃燒無關的文獻，共計得到文獻641篇。

1.2 研究方法

該文采用科學計量方法，對科技論文和會議論文的發文量、作者和機構等知識單元進行定量分析；采用文獻綜述法，對科技論文和會議論文表征的研究熱點進行定性分析；通過綜合運用科學計量方法和文獻綜述法，結合可視化圖表直觀地展現國外航空發動機振蕩燃燒的研究概況。

對作者和機構的統計采用普賴斯定律：同一主題中，半數的論文是一群高生產力作者所寫，這一作者集合數量約等于全部作者總數的平方根[8]。根據公式（1）和公式（2），可以統計出核心作者和最低發文量。

公式（1）中，nmax為杰出科學家中最高產作者/機構發表論文數，m為杰出科學家中最低產作者/機構發表論文數。公式（2）中，(x)為撰寫x篇論文的機構數，i=nmax為該領域內最高產作者/機構發表論文數，N為作者/機構總數。

2 發展概述

2.1 發文量

對振蕩燃燒文獻發文量進行統計，能夠揭示該領域的研究進展，預測其未來發展趨勢。通過對641 篇振蕩燃燒文獻的發表年份進行統計，發現發文時間跨度為1967—2020 年，共54 年，年均發文量約為12 篇。按照發文時間分別統計當年發文量和累積發文量，為累積發文量添加趨勢線，具體如圖1和圖2所示。

圖1 當年發文量分布

由圖1 和圖2 可知，振蕩燃燒相關研究始于1967年，討論了消除燃氣渦輪發動機燃燒室內振蕩燃燒的方式[9]，但是在接下來的近30 年間發文量較少，直至1997 年之后發文量才有所提升。根據發文時間跨度，可將振蕩燃燒研究劃分為兩個階段：第一階段為1967—1996 年，累積發文量曲線呈指數分布規律，屬緩慢發展期，年均發文量僅為1 篇，振蕩燃燒研究開始受到關注，但是相關研究成果較少；第二階段為1997—2020年，累積發文量曲線呈線性分布規律，屬快速發展期，年均發文量為25 篇，振蕩燃燒研究逐漸受到關注，相關研究成果噴涌而出。發文量峰值出現在2017 年，發文量為48 篇，占比7.49%，主要關注由振蕩燃燒引發的噪聲問題以及預測和抑制振蕩燃燒的措施。

圖2 累積發文量分布

2.2 作者分析

核心作者是指那些發文量較多、影響較大的作者集體，同時也是學術影響力、競爭力的重要貢獻者[10]。對振蕩燃燒領域的核心作者進行統計，有助于明確該領域研究的中堅力量。經統計，641 篇文獻共有作者945人，作者最高發文量為50篇。

根據公式（1），nmax為50，計算得m為5.3篇，約為5篇，可知發文量5 篇（含5 篇）以上的作者為核心作者；根據公式（2），N為945，計算結果為30.7，約為31，可知發文量排名前31 位（含31 位）的作者為核心作者。綜合公式（1）和公式（2）的計算結果，可知發文量9篇（含9 篇）以上、排名前31 位的作者為核心作者，具體內容如表1所示。

表1 核心作者（部分）

經統計，31位核心作者發文總量為574篇，來自17家機構，機構分布于5 個國家。31 位核心作者是振蕩燃燒研究的核心力量，為該領域的研究和發展做出了巨大貢獻。分析核心作者當前所屬機構發現，有27位核心作者所屬機構為高校，占比87.10%，其余12.90%來自科研機構和企業，可知高校是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。分析核心作者當前所屬機構分布國家發現，有18 位核心作者當前所屬機構位于美國，占比58.06%，可知美國是振蕩燃燒研究的主要貢獻者；只有Moeck J P 當前所屬機構位于挪威，經查看原文發現，該作者先后任職德國柏林工業大學、法國國家科學研究中心和挪威科技大學，針對振蕩燃燒的研究始于2007 年，累積發文20 篇。盡管Moeck J P 所屬機構發生了變化，但是自其任職新的機構起，均與其前一任職機構開展合作，研究振蕩燃燒相關問題，推測相關研究是以Moeck J P 為核心成員的某一研究項目的成果轉化。

2.3 機構分析

對振蕩燃燒領域的核心機構進行統計，有助于明確該領域研究的力量分布[11]。經統計，945位作者來自264家機構，機構最高發文量為69篇。

根據公式（1），nmax為69，計算得m為6.2篇，約為6篇，可知發文量6篇（含6 篇）以上的機構為核心機構；根據公式（2），N為264，計算結果為16.2，約為16，可知發文量排名前16 位（含16 位）的機構為核心機構。綜合公式（1）和公式（2）的計算結果，可知發文量16 篇（含16 篇）以上、排名前16 位的機構為核心機構，具體如表2所示。

表2 核心機構（部分）

經統計，16家核心機構發文總量為490篇，分布于4 個國家。16 家核心機構是振蕩燃燒研究的核心力量，其研究成果可以引領該領域未來的研究方向和發展趨勢。分析核心機構發現，有11 家核心機構為高校，占比68.75%，其余31.25%均為科研機構，可知高校是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。分析核心機構分布國家發現，有8 家核心機構位于美國，占比50%，可知美國是振蕩燃燒研究的主要貢獻者。

Aventador SVJ限量版車型以SVJ 63命名，以紀念蘭博基尼汽車的成立年份—1963年，該車全球僅限量生產63臺。Aventador SVJ 63搭載了擁有全新升級進氣口和氣流通道設計的ALA 2.0系統，極盡擷取有關最高速度、極致動感和卓越空氣動力學設計的每份靈感。強大的V12自然吸氣發動機，在最高轉速8500轉/分時能夠爆發出770馬力。配合四輪驅動、四輪轉向系統，特別配置和大量碳纖維材質，Aventador SVJ 63將超級跑車的定義提升至全新高度。

3 熱點方向分析

3.1 自由詞分析

對EI數據庫給出的自由詞進行統計，有效規避文摘數據庫對自然語言的干預，獲取文獻最直觀的研究內容。為得到嚴謹、正確的分析結果，對自由詞進行統一化處理，消除單復數形式不統一、多詞一意等含糊問題，剔除飛機、發動機、主燃燒室、加力燃燒室等寬泛詞匯。

經統計，共有2 268 組自由詞，累積標引4 517 次。根據自由詞標引次數頻率，將其按照標引次數遞減的順序輸出，如圖3 所示。由圖3 可知，自由詞詞頻情況分布曲線呈現階梯形破碎折線形式，整體契合齊普夫分布曲線[12]。從詞頻分布的擬合度來看，反映擬合優度的決定系數R2=0.7154，自由詞的分布規律擬合冪律分布規律，標引n次自由詞的個數隨標引次數的增加而減少，說明只有極少數的自由詞被經常使用，而絕大多數自由詞很少被使用。

圖3 自由詞詞頻分布

如圖3 所示，極少數被經常使用的自由詞標引次數大于50 次，包括燃燒不穩定、熱聲不穩定以及壓力振蕩，屬于研究熱點方向，研究人員針對這3個方向的發文較多；絕大多數很少被使用的自由詞標引次數小于50 次，包括非穩態壓力、自適應控制、穩定性分析等，涉及振蕩燃燒的多個方向，研究人員針對每個方向的發文較少。綜上所述，振蕩燃燒領域研究重點明確，但整體關注焦點較為分散，究其原因可能是因為振蕩燃燒本身是一個較為復雜的問題，涉及學科領域眾多，要想在短時間內對其進行全方位且深入的研究，然而存在一定困難，因此研究人員通過采用先廣泛研究多個專業方向，同時重點研究其中某些亟待解決的重點方向的策略開展振蕩燃燒研究，進而使得自由詞呈現冪律分布規律的特征。

根據自由詞詞頻及其分布規律，標引次數超過20次（含20 次），排名前15 位的自由詞累積標引次數為912 次，占比20.19%，根據二八定律[13]，可以認定這15個自由詞為高頻自由詞，具體如表3所示。

表3 高頻自由詞

3.2 研究熱點

由機構分析結果可知，50%的核心機構分布于美國，根據機構性質可將分布于美國的核心機構分為高校和科研機構兩類，分別選取這兩類機構中發文量排名第一位的代表性機構，佐治亞理工學院（69 篇）、AFRL（21 篇）進行分析。結合代表性機構發文的自由詞與高頻自由詞交叉統計的結果，確定了68篇核心文獻，其中佐治亞理工學院50篇、AFRL 18篇。采用文獻綜述法，對68 篇核心文獻進行分析，綜述代表機構重點關注方向的研究成果，以期管窺振蕩燃燒領域的研究熱點。

3.2.1 佐治亞理工學院的研究成果

佐治亞理工學院累積發表核心文獻50篇，時間跨度為1989—2020年，針對振蕩燃燒研究的關注焦點呈現先集中、后分散的特點，前期重點關注主動控制研究，發文量較多；后期關注熱聲振蕩、壓力振蕩等方向，但針對每個方向的發文較少。此小節針對佐治亞理工學院的重點關注方向——主動控制研究進行綜述。

佐治亞理工學院針對主動控制研究的發文時間跨度為1996—2007 年，發文量為13 篇，占比26%。1996年，描述了針對新的、能夠快速衰減有害燃燒不穩定性的主動控制方法的理論和實驗研究。1997年，綜述主動控制方法及理論模型的發展和應用。在文章中對被動控制方法首先進行了介紹，由于對驅動不穩定性的基本過程缺乏足夠的了解，且被動控制僅適用于某些運行工況下的特定燃燒室設計，被動控制方法的實施效果不盡如人意。由于被動控制方法存在上述劣勢，人們越來越關注主動控制方法的研究。與被動控制方法相比，主動控制方法的變通性更強，能夠適用于多種發動機運行工況下的不同類型燃燒室，其通過持續檢測、評估燃燒室狀態，迫使燃燒室按其所需的方式運行，進而主動控制燃燒不穩定性。通常，主動控制系統由壓力傳感器、觀測器、控制器和執行裝置組成。上述研究為開發不穩定燃燒室閉環控制研究平臺模型提供理論基礎。

2000—2006 年，針對主動控制進行了一系列實驗研究。通過實驗研究了最近開發的主動控制燃燒不穩定性的自適應控制方案性能。研究發現，該方案能夠有效控制大幅度的振蕩現象的產生；為增強對開環控制研究方法的理解，通過實驗研究了開環主動控制在燃燒室內有效抑制嚴重燃燒不穩定性方面的應用，研究發現，在燃燒室諧振頻率足夠低的情況下，開環主動調節燃油噴射速率可以有效抑制燃燒不穩定性；為研究“緩慢”主動控制的可行性，通過實驗研究了聲學-燃燒過程耦合對液體燃料噴霧特性的依賴性，進而研究了燃燒不穩定性的驅動與液體燃料噴霧液滴大小的關系，研究發現，通過改變噴霧特性，能夠有效防止有害燃燒不穩定性的發生。

2007 年，對近年來佐治亞理工學院研究的3 種主動控制方法進行綜述。第一種方法使用閉環主動控制系統，能夠瞬間（約40 μs）有效抑制燃燒不穩定性；第二種方法通過主動修改特征燃燒時間抑制燃燒不穩定性，通過智能燃油噴射器設置有效抑制振蕩燃燒；第三種方法通過在不同于非穩定頻率的頻率下開環、周期性地調節燃油噴射速率來主動控制燃燒不穩定性，在特定頻率范圍內，調節燃油噴射速率能夠完全消除振蕩燃燒。

3.2.2 AFRL的研究成果

AFRL累積發表核心文獻18篇，時間跨度為2000—2020 年，針對振蕩燃燒研究的關注焦點較為分散，涉及振蕩燃燒的多個方向，包括熱聲不穩定、熱聲振蕩以及主動控制等方向，針對每個方向的發文較少。此小節按照發文時間順序對AFRL 關注的各個方向進行綜述。

2000 年，通過實驗研究了在噴油器/火焰穩定器（IFF）后建立的擴散形火焰燃燒不穩定性的主動控制，在給定試驗條件下，使用平面激光誘導熒光（PLIF）技術探測詳細的火焰結構，并在不同燃料配比和二次燃料噴射的情況下對燃燒不穩定性進行研究。研究發現，根據二次燃料噴射位置，僅通過改變燃料配比就可以將燃燒不穩定性降低50%～90%。2001年，持續關注主動控制研究，認為控制燃燒過程能夠提高燃氣渦輪發動機的性能和耐久性，影響生命周期成本。

2011年，在前人對聲學和放熱耦合進行的大量研究基礎上，提出了一種耦合動力學的新方法。利用高速火焰圖像和高速壓力傳感器，對鈍體穩定火焰的渦脫、火焰動力學和聲學之間的關系進行了探索，研究發現，火焰輻射的聲音范圍很廣，當火焰聲音輻射與燃燒室的其中一種模式耦合時，會發生聲學耦合。2013—2015 年，通過計算和仿真對貧油直噴（LDI）燃燒室自激燃燒不穩定性開展系列研究，并通過實驗研究驗證仿真結果。研究識別了導致燃燒不穩定性的原理，評估了燃料噴射模型在預測燃燒不穩定性方面的效果。2017年，先后研究了燃燒室從穩定運行自發轉變為具有強烈自激熱聲振蕩的燃燒模式的機理以及用于識別和表征燃燒室熱聲脈動開始前兆的分析工具。隨后研究了燃料類型對燃燒室自激熱聲燃燒不穩定性趨勢的影響，并持續至今。研究發現，對于固定的進氣溫度，燃料類型不會改變自激不穩定性模式類型，也不會影響共振頻率。

綜上所述，主動控制方法研究是振蕩燃燒領域的研究熱點，相關研究成果較為成熟。結合各代表性機構的發文特征可知，佐治亞理工學院針對振蕩燃燒的研究焦點呈現先集中后分散的特點，由此可以推測，高校更加關注振蕩燃燒的研究深度，針對某一主題開展系統研究，以期對這一主題的理解更加透徹；AFRL 針對振蕩燃燒的研究焦點呈現較為分散的特點，由此可以推測，科研機構更加關注振蕩燃燒的研究廣度，從宏觀把握振蕩燃燒的方方面面，雖然針對各領域的研究數量不多，但是涉及的方面較為全面。

4 結語

該文對航空發動機振蕩燃燒文獻進行了系統分析，明確了該領域的研究進展，確定了研究的中堅力量，結合代表性機構的研究成果明確了研究熱點和發文特征。由于專業受限，很多理論性的知識分析還有待進一步深入，惟愿拓展科研人員思路，以期為我國航空發動機研制提供借鑒和參考。