3.6　碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

碳氢燃料超声速燃烧火焰稳定是流动与燃烧高度耦合的过程，本项目通过实验、数值模拟和光学测量相结合，摸清了稳焰模式与存在条件、稳焰模态转换的关键影响因素、火焰稳定极限及影响因素，有利于流体、反应动力学、先进光学等多学科交叉融合，有利于基础学科与实际应用紧密结合。本项目主要得到以下结论。

①自主开发了高频脉冲纹影系统，通过缩短曝光时间来冻结流场，同时利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的特点，有效消除了燃烧室背景辐射的影响，获得了Ma 3.0的超临界煤油燃烧过程清晰流场结构图像及其演化过程；在此基础之上结合平面激光诱导荧光（PLIF）、CH自发辐射、高速摄影、壁面测压、激光纹影和数值仿真等多种手段，获得了碳氢燃料超声速燃烧同一瞬态时清楚的流场和火焰结构，解析了超声速燃烧火焰动态传播过程，认识了不同稳焰模式下流场和燃烧区特点，发现了碳氢燃料超声速燃烧可能存在的三种稳焰模式以及存在条件；发现了燃料喷注点附近气动喉道的形成和演变是凹腔稳焰和射流尾迹两种稳焰模态之间振荡的一个主要原因。

②首次系统地获得了主要参数对碳氢燃料超声速燃烧吹熄极限规律，从理论上分析了超声速气流中凹腔稳定燃烧的贫燃与富燃吹熄机制。剪切层稳燃模式和剪切层中火焰基底的假设大大简化了吹熄极限附近凹腔火焰稳定机理的分析，将火焰基底在剪切层中的维持作为稳定判据，能够使有效当量比和Damköhler 数与吹熄准则直接联系起来；在富燃和贫燃吹熄极限条件下，从流场的三维特性上分析了可能的吹熄过程，由此实现了吹熄极限模型与来流条件、喷注参数以及凹腔构型的关联；对于质量输运过程，超声速气流中横向射流穿透与混合模型的引入使得模型中有效当量比的确定更加合理，而凹腔卷吸过程的模化给出了准稳态下回流区内产物质量分数的计算模型，改进了已有模型中较为粗糙的估计方法，适当选取模型中经验常数；获得了与实验数据基本吻合的吹熄极限边界，在一定程度上证明了模型的可靠性。基于规律的认识，提出了兼顾推力性能、火焰稳定性、燃烧室不起动和释热分布的燃烧组织策略和一种错位双凹腔新型燃烧室构型，分析了喷油器间距对静压分布、比推力增量和壁温分布的影响、第二阶段喷射对火焰稳定性的影响以及两阶段喷射的燃料流量比对静态压力分布和比推力增量的影响。实验结果表明，在小的喷射间隔下，发动机推力增大，燃烧不启动的可能性增大，壁温均匀性降低，平衡燃烧室的性能可以通过一个最佳区间或一定的最佳区间来实现；增加来自第二喷射阶段燃料喷射的当量比，可以大大降低在第一喷射阶段中燃料喷射的吹熄极限，增大两个喷射器间距离，降低第二喷射阶段的稳定性。

③提出了局部补氧拓展燃烧稳定性的新方法，基于实验结果和数值模拟计算，分析了氧气添加对凹腔内局部流场结构特征及其燃烧稳定的作用机制。在不同的补氧喷注方式下，凹腔内的火焰结构呈现出不同的特点，补入适量的氧气能够弥补凹腔内空气质量交换率的不足，改善浓度条件，提高燃烧强度。初始凹腔内燃烧强度的差别使得自持燃烧阶段存在局部反馈和全局反馈作用下的两种不同强弱的燃烧形态。在只有单侧补氧的情况下，单侧凹腔燃烧建立全局压力响应并形成气流壅塞环境，是局部火焰向主流扩展并实现异侧火焰传播的必要条件。局部补氧方法极大地提高了火焰稳定性，具有工程应用价值；此外，在连续稳定燃烧极限范围以外存在脉冲燃烧现象，可以产生脉冲式推力。

④首次针对碳氢燃料超声速燃烧自主开发了大涡/雷诺平均数值模拟平台，其中使用部分搅拌模型解决了流动和燃烧相互作用难题，使用简化机理（如39个物种及153步反应的煤油简化机理）充分考虑了化学反应机理的影响。在燃气射流掺混方面，首次解析欠膨胀射流开尔文-亥姆霍兹（Kelvin-Helmholtz，K-H）波系和喷口精细结构，发现了大尺度螺旋性结构和特点，诠释了流动失稳过程和机制。