超聲速條件下渦流發(fā)生器增強混合研究進展

摘 要：""""" 超聲速條件下燃料與空氣的高效摻混是實現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室高效燃燒的基本前提。 然而受到流動壓縮效應(yīng)和燃燒釋熱的影響， 超聲速流動的混合過程受到了極大的抑制。 渦流發(fā)生器是目前研究最多、 應(yīng)用最為廣泛的混合增強技術(shù)之一， 按照幾何構(gòu)型的不同可將其分為波瓣混合器、 斜坡噴注器以及微型渦流發(fā)生器等。 本文按照先介紹結(jié)構(gòu)和機理， 再介紹研究進展的順序?qū)Σò昊旌掀鳌?斜坡噴注器以及微型渦流發(fā)生器在超聲速混合增強領(lǐng)域的應(yīng)用進行了綜述。 之后對渦流發(fā)生器和其他激勵組合式混合增強技術(shù)， 如渦流發(fā)生器-斜激波誘導(dǎo)混合增強， 等離子體式、 振蕩式渦流發(fā)生器等進行了介紹和技術(shù)展望， 指出其可實現(xiàn)未來超聲速來流條件下寬速域、 動態(tài)時的高效混合。

關(guān)鍵詞："""" 超聲速流動； 渦流發(fā)生器； 混合增強； 超燃沖壓發(fā)動機； 流向渦

中圖分類號："""""" TJ760

文獻標(biāo)識碼：""" A

文章編號："""" 1673-5048（2025）01-0051-12

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0123

0 引" 言

超燃沖壓發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、 比沖高的優(yōu)勢， 是高超聲速飛行器的動力核心， 受到廣泛關(guān)注和持續(xù)不斷的研究。 其中， 高速燃?xì)馀c空氣的高效混合是實現(xiàn)發(fā)動機高效工作的基本前提。 然而， 超燃沖壓燃燒室中高效混合存在極大困難。 一方面， 超聲速反應(yīng)流動存在的可壓縮效應(yīng)和燃燒釋熱效應(yīng)顯著抑制了流動的混合； 另一方面， 燃燒室的尺寸限制導(dǎo)致氣流在其中的停留時間為毫秒量級^［1］， 如何在短時間內(nèi)實現(xiàn)燃?xì)馀c空氣的高效摻混是超燃沖壓發(fā)動機研究的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

為了實現(xiàn)高效混合， 學(xué)者們提出了一系列混合增強措施， 可分為主動增強混合技術(shù)和被動增強混合技術(shù)。 主動混合增強指通過機械、 聲學(xué)、 電磁等方式向混合流場中注入動量和能量， 擾亂流動狀態(tài)促進混合。 常見的激勵方式有射流激勵^［2］、 機械振動^［3］、 等離子體^［4］、 聲波激勵^［5］等。 主動控制技術(shù)有激勵位置和參數(shù)易于控制的優(yōu)點， 但也有在應(yīng)用中引入外部激勵難度大的缺點。 被動增強混合技術(shù)指在流場中引入擾動裝置來激發(fā)流動三維不穩(wěn)定特征進而加快混合。 該方法無需外界能量輸入， 結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高、 適用性強。 主要方法有渦流發(fā)生器^［6］、" 凹腔^［7］、" 斜坡^［8］、" 支板^［9］、" 后向臺階^［10］等。 其中， 渦流發(fā)生器因其體積小、" 結(jié)構(gòu)緊湊、 混合效果顯著的優(yōu)勢， 得到了廣泛的研究和工程應(yīng)用。

渦流發(fā)生器指通過在壁面陣列布置不同形式的微小裝置， 如方板、 三角板、 肋條、 機翼、 楔形、 斜坡等形式， 通過誘導(dǎo)出同向或者反向旋轉(zhuǎn)的流向渦， 將外部高能流體卷吸到近壁， 增加邊界層內(nèi)部流體的動量^［11］， 進而實現(xiàn)對于流動分離^［12］、 對流換熱^［13］、 薄膜冷卻^［14］、 混合增強^［15］等問題的有效控制。

1947年， Taylor^［16］利用一排翼型小板制成了最早的常規(guī)渦流發(fā)生器， 并通過改變翼型角度生成一系列的流向渦以控制邊界層流動。 此后， 這種類型的固定渦流發(fā)生器在延遲流動分離^［17］、 增加飛行器升力、 減小阻力^［18］以及強化流動摻混等方面發(fā)揮了很大作用。 1972年， Kuethe^［19］制作出尺寸小于附面層的微型渦流發(fā)生器， 驗證了這種微型結(jié)構(gòu)在降低尾流聲擾動強度的良好性能。 隨著高超聲速飛行器動力系統(tǒng)的快速發(fā)展， 微型渦流發(fā)生器因其具有總壓損失小、 流動控制效果較好的特點，

在面向高超聲速飛行器應(yīng)用的超燃沖壓燃燒室高效燃?xì)饪諝饣旌现袕V為應(yīng)用^［20］。

以波瓣混合器、 斜坡噴注器為代表的常規(guī)渦流發(fā)生器和微型渦流發(fā)生器是最為常見的三種渦流發(fā)生器， 本文針對這三種渦流發(fā)生器在輔助超聲速混合增強方面的研究進展展開綜述， 并對渦流發(fā)生器的發(fā)展趨勢進行技術(shù)展望， 指出渦流發(fā)生器結(jié)合其他強化方法的組合式增強技術(shù)可實現(xiàn)未來超聲速混合流動在寬范圍、 動態(tài)來流條件下更高效的混合。

1 波瓣混合器

波瓣混合器一般設(shè)置于超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)部支板或隔板的后緣， 在后緣上設(shè)計一系列上下交替出現(xiàn)的波瓣構(gòu)型， 并將燃料噴射器設(shè)置于波瓣尾部。 如圖1所示， 當(dāng)氣流經(jīng)過波瓣混合器時， 會同時產(chǎn)生斜激波和膨脹波， 進而形成了一個上部的高壓區(qū)和下部的低壓區(qū)， 在壓力差的作用下形成流向渦， 促進發(fā)動機內(nèi)部兩股不同速度的高速流在短時間內(nèi)的快速混合^［21］。

1995年， Tew等^［22］最早通過實驗探究了可壓縮混合層中常規(guī)波瓣混合器產(chǎn)生流向渦的能力， 并對流向渦和可壓縮性對混合增強的影響進行了定量分析。 實驗發(fā)現(xiàn)， 波瓣混合器的混合性能幾乎是平板構(gòu)型的2倍， 而波瓣混合器誘導(dǎo)的流向渦在混合過程中發(fā)揮了重要作用。

至今， 除了常規(guī)波瓣混合器， 學(xué)者們也對矩形、 三角形、 正弦形等不同形狀的波瓣混合器的混合性能及相關(guān)機理進行了研究。

2013年， Wang等^［6］通過實驗探究了矩形波瓣混合器誘導(dǎo)的大尺度渦的渦旋特性， 發(fā)現(xiàn)大尺度流向渦的演化具有很強的三維特性。 圖2給出了流向位置為X=14/3l時流向渦圖像和展向位置Y=-5/6l時流向渦演化圖像。 由圖2（a）可以看到， 二次不穩(wěn)定性造成了大尺度流向渦的破裂分解； 圖2（b）中， 流場中形成了由于K-H不穩(wěn)定性形成的渦簇結(jié)構(gòu)， K-H渦的發(fā)展對流向渦運動有顯著影響。

2017年， Zhang等^［23］通過實驗探究了三角形波瓣混合器的混合增強機理， 實驗裝置如圖3所示。 實驗發(fā)現(xiàn)三角波瓣不同位置產(chǎn)生的流向渦在下游發(fā)展過程中形成了渦簇結(jié)構(gòu)帶， 觀察到波槽處由于當(dāng)?shù)囟尾环€(wěn)定性誘導(dǎo)形成的U型馬蹄渦結(jié)構(gòu)， 如圖4所示。 渦簇結(jié)構(gòu)帶破碎形成的小尺度渦結(jié)構(gòu)之間的相互撕咬作用和U型馬蹄渦結(jié)構(gòu)的頭部和腿部的強烈旋轉(zhuǎn)和變形能有效促進混合。

實驗同時得到了展向流向流場精細(xì)結(jié)構(gòu)， 如圖5所示， 并解釋了三角波瓣混合器混合增強的一定機理。 由于波瓣兩側(cè)存在速度差， 展向K-H不穩(wěn)定誘導(dǎo)的K-H渦從三角波瓣后緣脫落， 隨著流向渦結(jié)構(gòu)的形成和逐步增長， 流向渦和 K-H 渦相互作用， 這種相互作用顯著增強了流動的三維特性， 使得更多的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎， 混合效率得到提高。

2019年， Fang等^［24］實驗研究了矩形波瓣混合器、 彎曲板、 平板的下游混合層特性， 同樣觀測到渦簇結(jié)構(gòu)、 U形渦結(jié)構(gòu)等。 圖6給出了波瓣混合器和彎曲板的流場對比圖， 發(fā)現(xiàn)彎曲板下游流向渦被抑制消失， 說明波瓣混合器槽角產(chǎn)生的壓差對流向渦的生成起到了重要的作用。

2020年， Fang等^［25］又對兩種不同波長比的正弦形波瓣混合器的混合性能進行了實驗研究， 并將其和矩形波瓣進行了比較。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 正弦形波瓣混合器槽間壓差較小， 當(dāng)噴射角較小時， 下游不會出現(xiàn)流向渦， 但同樣具有一定的混合效果。

波瓣混合器的高度、 擴張角、 波長比、 噴射面積等參數(shù)對混合性能也有很大影響。 2001年， Abolfadl等^［26］在低速風(fēng)洞中通過實驗探究了波瓣混合器的幾何尺寸的變化對混合性能的影響（所用波瓣混合器模型及幾何參數(shù)表示如圖7所示）。 研究發(fā)現(xiàn)， 混合效率隨著波瓣擴張角α和波瓣高度h的增加而增加， 當(dāng)波瓣擴張角為20°， 波瓣高度h等于波瓣波長w時， 混合效率取得最大值； 隨著波長w的增加， 波瓣后緣流場的混合效率有稍微下降， 遠(yuǎn)場混合效率隨之增加。 2007年， Gerlinger等^［27］對波瓣混合器在超燃沖壓燃燒室中的燃燒、 混合增強效果進行了數(shù)值模擬， 比較了三種具有相同幾何形狀但噴注面積不同的波瓣注射器（波瓣注射器后視圖如圖8所示， 黑色區(qū)域表示H2噴注區(qū)域）的混合性能， 研究發(fā)現(xiàn)， H2噴射位置的改變導(dǎo)致了誘導(dǎo)渦位置的變化， H2噴射區(qū)域應(yīng)與渦旋覆蓋區(qū)域相匹配。

2014年， 程曉軍等^［28］對方形波瓣混合器對渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機燃燒室的渦扇涵道和沖壓涵道兩股氣流的摻混效果進行了數(shù)值模擬研究， 發(fā)現(xiàn)擴張角對方形波瓣混合器的熱混合效率的影響起主要作用， 而出口高度的影響不大； 當(dāng)方形波瓣混合器的波長比為1.0時， 方形波瓣混合器具有高效低阻的摻混特性。 2023年， Li等^［29］研究了正弦形和矩形波瓣混合器對亞音速-超聲速混合層的發(fā)展特性的影響， 發(fā)現(xiàn)正弦形具有優(yōu)越的混合效果， 波長比對混合效果影響很大（圖9給出了不同波長比的正弦形波瓣混合器示意圖）， 通過量綱分析發(fā)現(xiàn)， 無量綱波長比大于1時會出現(xiàn)正的混合效果， 而當(dāng)無量綱波長比為1.905時， 混合層厚度生長速率提高了近12%。

由此可見， 利用不同種類的波瓣混合器增強混合時， 除了考慮設(shè)計復(fù)雜性， 還應(yīng)充分考慮波瓣混合器相關(guān)參數(shù)的選取， 如矩形波瓣混合器的波瓣擴張角、 波瓣高度， 正弦形波瓣混合器的波長比， 噴注區(qū)域的匹配等， 以得到最佳的混合效果。

2 斜坡噴注器

斜坡噴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傾斜入射， 射流同斜坡產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)相互作用， 可起到超聲速流場中混合增強的作用。 常見的斜坡噴注器構(gòu)型有壓縮斜坡、 膨脹斜坡和懸臂斜坡， 其中每種又可分為有后掠形和無后掠形。 圖10給出了常見的壓縮斜坡和膨脹斜坡示意圖。

2.1 壓縮斜坡噴注器

壓縮斜坡混合增強原理如圖11所示， 超聲速來流在斜坡底部產(chǎn)生一道斜激波， 該斜激波使斜坡頂面附近形成了一個高壓區(qū)域， 該處的高壓氣流朝著斜坡兩側(cè)底部低壓區(qū)域流動， 在斜坡兩側(cè)形成了方向相反的兩個流向渦， 渦結(jié)構(gòu)循著斜坡邊緣發(fā)展， 在斜坡尾部匯聚成一個反向旋轉(zhuǎn)渦對， 反向旋轉(zhuǎn)渦對經(jīng)破碎、 合并發(fā)展為大尺度流向渦結(jié)構(gòu)， 進而促進斜坡下游燃?xì)獾幕旌?sup>［^31］。

壓縮斜坡角及后掠角對斜坡噴注器的混合增強性能有很大影響。 1992年， Kamath等^［33］對斜坡角對超聲速混合增強的影響進行了量化研究， 發(fā)現(xiàn)斜坡角由7.407°增加到11.86°時， 混合效率提高了6.6%； 此外， 還研究了斜坡后掠角的影響， 當(dāng)斜坡后掠角由0°增加到5°時， 混合效率提高了1.3%，" 而當(dāng)后掠角增加到10°時， 混合效率提高了12.9%， 其研究認(rèn)為后掠區(qū)域使低壓區(qū)域壓力更低， 更大的壓力差形成了更大的渦流， 促進了混合。

1994年， Hartfield等^［34］使用激光誘導(dǎo)碘熒光技術(shù)測量了燃料射流在后掠斜坡尾面平行面和垂直面的摩爾分?jǐn)?shù)分布， 如圖12所示。 研究發(fā)現(xiàn)在射流孔附近， 燃料摩爾分?jǐn)?shù)分布仍保持圓孔形狀， 而略高于兩個斜坡高度處， 斜坡產(chǎn)生的渦旋極大扭曲了射流， 并將空氣混合到了羽流中心， 使混合增強。 1995年， Riggin等^［35］通過數(shù)值模擬探究了有無后掠情況下斜坡噴注器的混合性能， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 掃掠斜坡形成了更強的弓形激波， 誘導(dǎo)出了更強渦旋結(jié)構(gòu)， 使得掃掠斜坡混合性能較未掃掠斜坡增加了25%。 2009年， 吳海燕等^［36］對兩種不同結(jié)構(gòu)斜坡噴注器進行了實驗研究， 對比數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 后掠設(shè)計能有效促進流向渦的卷起， 并加速燃料噴流柱的抬升過程， 這不僅增進了混合， 也有效增強了其對火焰的穩(wěn)定作用。

因此， 對于壓縮斜坡， 如能兼顧總壓損失和結(jié)構(gòu)緊湊性要求， 可適當(dāng)增大斜坡角或應(yīng)用后掠式斜坡以增強混合。

2.2 膨脹斜坡噴注器

相比于壓縮斜坡， 膨脹斜坡會產(chǎn)生一定壓力梯度， 卻很少有流動分離的現(xiàn)象， 膨脹斜坡的設(shè)計旨在減少斜激波引起的流量損失， 但混合增強效果可能較壓縮斜坡較差^［37］。 圖13給出了膨脹斜坡混合增強原理示意圖， 膨脹斜坡很少出現(xiàn)流動分離， 而是通過一種跨流剪切的渦流產(chǎn)生機制生成流向渦， 促進混合增強^［31］。

1990年， Hung等^［38］對膨脹斜坡混合性能進行了數(shù)值模擬研究， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)膨脹面角度等于最大膨脹波角度時， 空氣夾混特性最好， 當(dāng)超過這一角度時， 過度膨脹可能誘發(fā)出斜激波。 2009年， Kondo等^［39］采用紋影可視化和3D-PIV技術(shù)， 研究了膨脹斜坡流向渦破碎過程， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 流向渦的循環(huán)、 之間的距離， 自由流與流向渦內(nèi)部之間的速度差影響著混合區(qū)域的擴張， 且在流向渦的破碎過程中， 其周圍的橫向渦環(huán)發(fā)揮著重要作用。

2.3 懸臂式斜坡噴注器

和傳統(tǒng)的壓縮或膨脹斜坡噴注器相比， 懸臂式斜坡噴注器被證明有更好的摻混性能^［40］。

目前， 學(xué)者對懸臂式斜坡結(jié)構(gòu)對混合性能的影響進行了較多研究。 2000年， Schumacher等^［41］對不同斜坡壓縮角αc， 膨脹角αe和側(cè)壁后掠角的懸臂式斜坡的混合性能進行了數(shù)值模擬， 圖14給出了相關(guān)參數(shù)示意圖， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有斜壓效應(yīng)， 即斜坡壓縮角為0時， 懸臂式斜坡混合效果最差。 2002年， Parent等^［42］對不同對流馬赫數(shù)下懸臂式斜坡混合性能進行了數(shù)值研究， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)對流馬赫數(shù)由0增加到1.5時， 混合效率提高了31%， 總壓損失減小了10%； 之后， Parent等^［43］使用同樣的數(shù)值模擬方法對不同幾何參數(shù)條件下的懸臂式斜坡進行了研究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 懸臂式斜坡陣列間距減小， 明顯增加了燃?xì)饨佑|面積， 但減弱了軸向渦強度。 當(dāng)噴射器角度由4°增加到16°時， 混合效率提高了9%， 但同時總壓損失也增加了2倍以上。 2013年， Huang等^［44］對自由來流Ma=2條件下懸臂式斜坡的流場特性和阻力大小進行了數(shù)值模擬， 發(fā)現(xiàn)隨著斜坡壓縮角和后掠角的增加， 混合效率增加， 同時阻力隨之增大， 應(yīng)有所平衡。 2016年， 張涵等^［45］對比分析了兩種不同懸臂構(gòu)型對流場的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 三角懸臂斜坡結(jié)構(gòu)相比于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)對流向渦增強效果不明顯， 摻混效果弱于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)， 但總壓損失較小。 2017年， 吳達等^［46］對不同組合間距（H取0， 30 mm， 60 mm）的懸臂斜坡噴射器與凹腔組合結(jié)構(gòu)（如圖15所示）的冷熱流場進行了數(shù)值模擬， 結(jié)果表明， 當(dāng)組合距離H為30 mm時， 雖然總壓損失較大， 但卻擁有更強的流場摻混效果和更大的燃燒效率收益。 由上述研究成果可以看出， 懸臂式斜坡混合增強性能好， 但在阻力， 總壓損失等方面， 應(yīng)有所平衡。

2021年， Du等^［47］通過RANS方法對懸臂斜坡噴射器的混合增強機理進行了數(shù)值模擬， 并對比了掃掠懸臂和標(biāo)準(zhǔn)懸臂的區(qū)別。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 如圖16所示， 在懸臂式噴注器近流場， 由于剪切作用， 形成了復(fù)雜的激波波系； 而在遠(yuǎn)流場， 則形成了大尺度的渦結(jié)構(gòu)， 增強了燃?xì)饣旌稀?此外， 掃掠懸臂體現(xiàn)出了更好的混合效果， 但標(biāo)準(zhǔn)懸臂總壓損失更小。

3 微型渦流發(fā)生器

微型渦流發(fā)生器指高度為附面層厚度的1/10～1/2的渦流發(fā)生器， 其帶來的附加阻力僅是普通渦流發(fā)生器的1/10^［48］， 適合應(yīng)用于高超聲速流動中。 Seiner等^［15］研究指出， 微型渦流發(fā)生器能很好地促進橫向射流流場的混合增強， 其既能有效提高燃料穿透深度， 又不會帶來較大的總壓損失。

常見的微型渦流發(fā)生器（MVG）構(gòu)型有標(biāo)準(zhǔn)斜坡式、 分裂斜坡式、 葉片式等， 如圖17所示。

3.1 微斜坡渦流發(fā)生器

普通微斜坡在橫向射流超聲速混合增強方面研究相對較多。 相關(guān)研究按橫向射流方式可分為： 微斜坡—單射流混合增強； 微斜坡—多射流混合增強； 微斜坡—脈沖射流混合增強等。

3.1.1 微斜坡-單射流混合增強

微斜坡尺寸及微斜坡與單射流孔相對位置均對混合增強效果有較大影響。 2016年， Zhang等^［50］使用大渦模擬的方法探究了微斜坡相對位置對橫向射流流場特性的影響， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)微斜坡放置于射流孔前時， 可以明顯提高穿透深度； 而當(dāng)微斜坡放置于射流孔后時， 微斜坡對主射流的影響效果較小， 穿透效果改善不明顯。 2016年， 趙延輝等^［51］對微斜坡構(gòu)型的幾何參數(shù)， 射流/來流動壓比流向位置對橫向射流混合增強的影響進行了實驗研究。 微斜坡構(gòu)型與射流孔相對位置如圖18所示， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)微斜坡半錐角為36°、 坡度為6°、 微斜坡尾緣與噴孔中心無量綱距離為38.8、 射流/來流動壓比為10.6時， 無量綱穿透深度存在最優(yōu)值12.68。

2022年， Jia等^［20］通過實驗探討了不同位置和不同數(shù)量的微斜坡對超聲速燃燒室凹腔燃燒性能的影響。 微斜坡布置如圖19所示， 發(fā)現(xiàn)微斜坡的安裝可以抬升剪切層， 提高火焰穿透深度， 擴大反應(yīng)區(qū)域面積； 減小微斜坡同噴射孔間距離， 增加微斜坡數(shù)量能有效增強燃?xì)饣旌稀?/p>

關(guān)于微斜坡和橫向射流混合增強機理， 2020年， Zhao等^［52］通過實驗研究了微斜坡和射流孔間距為20 mm和80 mm時混合增強效果， 并探究了微斜坡和橫向射流混合增強原理， 研究發(fā)現(xiàn)了微斜坡產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)渦對方向與橫向射流產(chǎn)生的渦對方向一致， 同時， 微斜坡產(chǎn)生的大尺度流向渦對橫向射流區(qū)域造成了強擾動， 導(dǎo)致了弓形激波和桶狀激波的變形， 這提高了橫向射流的穿透深度和混合效率。 圖20給出了微斜坡尾跡渦發(fā)展及尾跡渦對橫向射流弓形激波干擾實驗觀測結(jié)果。

3.1.2 微斜坡-多射流混合增強

多孔射流具有燃料穿透深度高、 混合效率高等優(yōu)勢， 同時， 多孔射流同樣存在交叉射流情況下射流與超聲速空氣接觸較少的不足^［53］。 微斜坡與多孔射流組合， 有利于使射流向空氣擴散， 進而提高混合效率。

2022年， Shen等^［54］將斜坡葉片設(shè)置多孔射流噴孔上游， 采用大渦模擬探究了斜坡葉片與氣流夾角及射流孔間距對混合效率的影響。 圖21給出了斜坡葉片和多孔射流組合示意圖及兩射流孔間的流場圖。 研究發(fā)現(xiàn)， 斜坡葉片提高了燃料噴注深度， 且斜坡葉片的存在使得在噴射器附近產(chǎn)生了較強循環(huán)區(qū)， 這促進了射流深度較低區(qū)域的混合。

2022年， Li等^［55］將標(biāo)準(zhǔn)微斜坡設(shè)置于噴孔下游，" 研究了不同類型多孔射流噴孔（三瓣、 矩形、 圓形）對燃料和空氣的混合效果的影響。 分析發(fā)現(xiàn)， 三瓣形噴嘴產(chǎn)生射流渦效果更好， 具有最好的混合效果； 而圓形噴孔保留了中心處動量， 穿透深度更高； 矩形噴嘴射流穿透深度較低。 在微斜坡尾部出現(xiàn)了再循環(huán)區(qū)， 當(dāng)射流向下移動時， 循環(huán)區(qū)將氫氣射流卷起到更高的高度， 進而促進了與空氣混合， 圖22給出了不同類型噴注器流線分布圖。

3.1.3 微斜坡-脈沖射流混合增強

脈沖射流是一種向射流添加非穩(wěn)態(tài)激勵以增強混合的有效方式。 研究表明， 和穩(wěn)定射流相比， 脈沖射流在不增加動量通量比的條件下能夠提高射流的穿透深度^［56］。 如今有關(guān)脈沖射流混合增強的研究， 多集中于斜激波誘導(dǎo)和脈沖射流組合^［57］、 射流參數(shù)（如波形）^［58］、 脈沖頻率和振幅^［59］對混合效果的影響。 微斜坡和脈沖射流組合增強混合近幾年才開始有所研究。

2017年， Li等^［60］將三角翼微斜坡置于射流孔上游并對射流施加脈沖， 探究了脈沖射流對流場結(jié)構(gòu)以及混合效果的影響。 結(jié)果表明， 噴注壓比較小時， 穩(wěn)態(tài)流場的混合效率優(yōu)于激勵射流流場， 隨著噴注壓比增大， 激勵射流流場的混合效率開始高于穩(wěn)態(tài)射流流場， 圖23給出了不同噴注壓比下的穩(wěn)態(tài)及脈沖射流的混合效率曲線。

3.2 葉片式微型渦流發(fā)生器

葉片式微型渦流發(fā)生器最早由Barter等^［61］提出， 并被應(yīng)用于激波—湍流邊界層流動控制。 相比于其他形式渦流發(fā)生器， 葉片式渦流發(fā)生器能產(chǎn)生強度更強的流向渦^［62］， 此外， 葉片式渦流發(fā)生器被證明能有效提高射流混合效率， 同時推力、 總壓損失很小^［63］。

目前， 葉片式渦流發(fā)生器的研究主要集中于控制邊界層分離^［64-65］、 激波—湍流邊界層（STBLI）流動控制^［66］、 亞聲速射流增強混合^［67］等方面。

在超聲速混合增強領(lǐng)域， 2014年， Xue等^［68］通過大渦模擬探究了微斜坡和葉片式渦流發(fā)生器的尾流結(jié)構(gòu)， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 微斜坡后的尾流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 出現(xiàn)了環(huán)狀渦列和流向渦管等， 而微葉片的尾流結(jié)構(gòu)相對簡單， 主要結(jié)構(gòu)是兩個反向旋轉(zhuǎn)的徑向渦管， 如圖24所示。

2020年， Aqib等^［69］通過實驗研究了Ma=1.6時， 雙錐形噴管射流情況下， 矩形葉片渦流發(fā)生器對雙射流混合特性的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 渦流發(fā)生器顯著增加了雙射流的擴散率和衰減率， 在渦流發(fā)生器附近， 出現(xiàn)了許多子流渦旋， 這些渦旋攜帶和拖動周圍的低速流體， 導(dǎo)致跨流動量交換， 射流衰減更快。

2024年， Sheng等^［70］將不同構(gòu)型渦流發(fā)生器設(shè)置于沖壓發(fā)動機內(nèi)部支板表面， 如圖25所示， 通過RANS方法模擬了渦流發(fā)生器構(gòu)型對沖壓發(fā)動機燃燒和混合特性的影響。 分析發(fā)現(xiàn)， 矩形凸起渦流發(fā)生器使混合效率提高了18.2%， 總壓損失也增加了2.16%； 而兩種組合式渦流發(fā)生器分別使混合效率提高了12.1%和15.2%， 總壓損失增加了3%和2.7%。

4 渦流發(fā)生器和其他激勵組合式混合增強

純主動式激勵方式在激發(fā)流場初始擾動時， 需要引入高能、 高頻電源， 存在引入困難的問題。 而渦流發(fā)生器具有被動誘導(dǎo)大尺度渦的優(yōu)勢， 將渦流發(fā)生器與主動激勵結(jié)合， 既能解決主動式激勵引入困難的問題， 同時能避免渦流發(fā)生器參數(shù)不可調(diào)， 寬范圍工況適應(yīng)性差等局限性， 以拓展渦流發(fā)生器的適應(yīng)范圍， 提高渦流發(fā)生器的混合效果。

4.1 渦流發(fā)生器-斜激波誘導(dǎo)混合增強

激波干擾混合增強是通過誘導(dǎo)產(chǎn)生斜激波， 作用于射流流場， 利用斜激波產(chǎn)生的壓力梯度， 在燃料與空氣的交界面產(chǎn)生強的流向渦量， 從而實現(xiàn)混合增強^［71］， 如圖26所示。

2022年， Du等^［73］使用RANS方法對微斜坡、 分裂斜坡、 斜坡葉片三種渦流發(fā)生器和斜激波誘導(dǎo)氫燃料混合增強機理進行了數(shù)值模擬， 相關(guān)模型如圖27所示。

結(jié)果表明， 激波與渦流發(fā)生器的組合可有效提高混合效率， 且不同類型渦流發(fā)生器對混合效率的影響不同， 其中分裂斜坡作用下， 混合效率提高最高， 為36.27%。 關(guān)于組合混合增強機理， 一方面， 渦流發(fā)生器對入流的阻礙擴大了上游分離區(qū)和再循環(huán)區(qū)， 同時， 射流下游的激波/邊界層相互作用產(chǎn)生了新的分離區(qū)和再循環(huán)區(qū)， 這提供了更大的混合空間； 另一方面， 斜激波和渦流發(fā)生器產(chǎn)生更強更寬的反旋轉(zhuǎn)渦旋對， 有效地促進了混合。 圖28給出了無斜激波和渦流發(fā)生器、 有斜激波、 3種渦流發(fā)生器和斜激波組合時的流場跡線圖。

4.2 未來渦流發(fā)生器可能的組合形式

4.2.1 等離子體輔助渦流發(fā)生器

等離子體制動器有著擾動頻率控制范圍廣、" 反饋速度快、 對流場干擾小等優(yōu)點。 2023年， Pavel等^［74］將等離子體裝置和楔形板相結(jié)合， 制成了等離子體輔助渦流發(fā)生器， 探究了其對湍流邊界層干擾的影響。 如圖29所示， 在楔形體一側(cè)， 安裝有等離子體放電器， 當(dāng)放電被激發(fā)時， 流體流過放電的等離子體區(qū)域， 氣體溫度和密度發(fā)生變化； 而在另一側(cè)， 流動幾乎不受影響。 因此， 將在楔形體的后緣形成壓差， 產(chǎn)生橫向速度梯度， 形成旋渦。

由于等離子體輔助渦流發(fā)生器可控制性好， 未來可作為一種結(jié)合式渦流發(fā)生器裝置用于超聲速混合增強。 上文中提到的等離子體安置于楔形板一側(cè)， 未來可考慮將等離子體安裝于其他形式的渦流發(fā)生器一側(cè)進行調(diào)控， 以促進混合增強。

4.2.2 振蕩式渦流發(fā)生器

2023年， 王夢格等^［75］提出振蕩式渦流發(fā)生器概念， 用于高超聲速進氣道邊界層干擾控制。 振蕩式渦流發(fā)生器概念模型如圖30所示， 通過振蕩式渦流發(fā)生器的高頻往復(fù)振蕩向流場施加動態(tài)擾動， 可促進流向渦快速形成， 能用于輔助渦流發(fā)生器摻混。

5 結(jié)論與展望

渦流發(fā)生器在輔助超聲速混合增強方面發(fā)揮著重要作用。 目前， 關(guān)于常規(guī)渦流發(fā)生器， 如波瓣混合器、 斜坡噴注器等的研究已經(jīng)十分充分， 大量研究揭示了不同尺寸、 結(jié)構(gòu)的常規(guī)渦流發(fā)生器的混合性能和機理。 而對于微型渦流發(fā)生器， 大多研究集中于流動控制方面， 近幾年才逐漸開展微型渦流發(fā)生器在混合增強方面的研究。

此外， 當(dāng)前關(guān)于渦流發(fā)生器和其他激勵的組合式混合增強技術(shù)研究相對較少， 少部分研究已經(jīng)提出2種控制方法的組合， 如渦流發(fā)生器和斜激波誘導(dǎo)混合增強、 等離子體輔助渦流發(fā)生器、 振蕩式渦流發(fā)生器等， 但較少應(yīng)用于超聲速混合增強研究中。 由于渦流發(fā)生器主動式激勵的組合優(yōu)越性， 將是實現(xiàn)未來超聲速混合流動在寬范圍、 動態(tài)來流條件下更高效混合的有效措施。

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Research Progress on Supersonic Mixing Enhanced by

Vortex Generators

Xie Haiwei1， Zhang Dongdong^1*， Wang Pengren2， Xu Zheng1， Tan Jianguo1

（1. Hypersonic Technology Laboratory， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China；

2. Jiuquan Satellite Launch Center， Lanzhou 732750， China）

Abstract： Efficient mixing of fuel and air under supersonic conditions is important for achieving efficient combustion in scramjet and combined-cycle combustion chambers. However， due to the effects of flow compression and heat release from combustion， the mixing process in supersonic flows is greatly inhibited. Vortex generators are currently the most researched and widely applied technology for mixing enhancement. According to geometric configurations， vortex generators can be categorized into lobed mixers， ramp injectors， and micro-vortex generators. In this paper， the application of lobed mixers， ramp injectors， and micro vortex generators in the field of supersonic mixing enhancement is reviewed in the order of introducing the structure and mechanism， and then introducing the research progress. Subsequently， vortex generators and other combination excitation mixing enhancement technologies， such as vortex generator-ramp induced mixing enhancement， plasma-based， and oscillating vortex generators， are introduced， and their technical prospects are pointed out， indicating their potential to achieve efficient mixing across a wide range of speeds and dynamic conditions in supersonic inflow.

Key words： supersonic flow； vortex generator； mixing enhancement； scramjet； streamwise vortex