超声速气流中的典型混合增强方法

周燕梅　吴继平　黄伟

摘要：      超燃冲压发动机指空气以超声速进入燃烧室并与燃料进行混合和燃烧， 但是在来流速度如此快的条件下， 要实现燃料与空气的充分混合与稳定燃烧是很困难的， 而稳定燃烧的先前条件是燃料与空气的充分混合。 因此， 增强混合的研究对超燃冲压发动机的发展起着重要的作用。 国内外众多学者不断研究并提出混合增强方法来解决燃料与空气充分混合的问题， 本文主要对混合增强方法中的横向射流、 脉冲射流以及凹腔的研究进展进行总结与归纳， 并对未来的发展提出展望。

关键词：     超燃冲压发动机； 混合增强； 横向射流； 脉冲射流； 凹腔中图分类号：      TJ760; V211

文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2023）02-0108-12

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0261

0引言

超燃冲压发动机因具有速度快、 结构简单［1］、 重量轻、 单位推力大等优点， 受到国内外研究者的广泛重视， 不断对其进行研究和完善， 成为目前及未来发动机发展的重点之一。 即使对超燃冲压发动机的研究不断深入和完善， 但还是存在各种有待完善的问题。 超燃冲压发动机燃烧室中的超声速来流速度快， 燃料与来流在燃烧室的驻留时间只有毫秒量级［2］， 要在几毫秒内实现燃料和来流的充分混合及高效燃烧是十分困难的。 因此， 混合增强技术不断被研究及应用， 以达到提高发动机内的混合以及燃烧效率。

混合增强方法按其机理分为主动混合增强方法和被动混合增强方法， 主动混合增强方法依靠大尺度自激励来增强混合， 包括脉冲射流［3–6］、  等离子体合成射流［7-8］等。 被动混合增强方法作为一种有效的混合增强手段， 主要通过改变燃烧室的构型或者喷射方式来诱发轴向涡结构， 结构设计简单， 作用方式直接［9］。 被动混合方法主要包括横向射流［10–12］、 斜坡［13–16］、 支板［17–21］、 塔桥［22-23］、 凹腔［24–26］、 波形壁［27–29］等。 为了对混合增强方法有一个更加全面的认识， 国内外学者Hassan等［30］、 Choubey等［31］、 黄伟等［32-33］都对混合增强的研究进展进行了详细的总结与归纳。

本文主要对主动混合增强方法中的脉冲射流， 被动混合增强方法中壁面横向射流和凹腔进行开展。 凹腔的混合增强机理主要是依靠声学激励燃烧室内诱发大尺度扰动， 产生大尺度漩涡吸卷燃料与空气。 脉冲射流通过脉冲激励超声不稳定流动来增强来流与燃料的接触， 从而增强混合。 火焰稳定［34–36］燃烧是超燃冲压发动机想要达到的目的， 只有燃烧稳定了发动机才能在稳定的状态下工作， 凹腔既可以增强混合， 又是理想的火焰稳定器之一［37］。

1横向射流的研究进展

1.1横向射流流场结构

超声速壁面横向射流是一种最经典、 最简单的混合增强方式。 由于横向射流具有结构简单、 阻力小等优点， 众多学者对横向射流进行了研究， 黄伟等［38］还对其进行了综述。 典型超声速壁面横向射流三维结构图［39］如图1所示。 射流从射流孔喷出， 其状态为欠膨胀状态， 当欠膨胀状态的射流从射流孔喷出后， 在射流孔附近发生普朗特-迈耶膨胀之后迅速膨胀， 在下游形成了筒状激波和马赫盘， 与此同时， 射流与超声速来流相互碰撞， 形成了弓形激波。 横向射流的流场会产生复杂的漩涡结构， 其中包括图1所示的射流剪切层漩涡、 马蹄涡、 反向旋转涡对（CVP）和尾迹涡（TCVP）。

Liu等［40］采用油流可视化技术和 NPLS 研究射流尾迹流区域， 展示了射流下游区域的近壁面流动情况， 包括再附着区和V形分离区， 如图2所示。

2018年， Liang等［41-42］采用NPLS技术清晰地观察到了典型流场结构， 识别了V形分离气泡并揭示了V形分离泡周围的详细流场。 后来， Liang等还发现在近壁场中， 动量通量比较低（J=2.3）的条件下， 存在一個V形区域， 该区域的前部燃料质量分数较高， 这是由来自不同方向靠近射流孔的横向射流流线碰撞引起的， 而在较高动量通量比（J=7.7）条件下， V形区域并不明显， 不同动量通量比的燃料质量分数分布图如图3所示。

1.2横向射流混合增强的影响因素

除了对横向射流的流场结构进行研究， Yan等［43］采用极差分析和方差分析方法对影响横向射流混合增强的因素进行研究， 结果表明射流与来流的压力比是影响超声速横向射流流场的最重要因素， 其次是射流角。

学者们还对射流孔的几何形状和射流孔的数量进行研究。 Sebastian等［44］分析超音速横向射流中椭圆射流的流动机理， 并揭示不同长宽比对流场的影响， 不同长宽比的椭圆射流孔截面图如图4所示。 图中， l和w分别是沿轴ξ1和ξ2的长度， 轴ξ1与来流的流向平行。 研究表明， 穿透深度随长宽比的增加而增加。

Li等［45］通过求解RANS方程模拟研究长方形、 三瓣形和圆形这三种不同几何射流孔对燃料混合强度的影响， 如图5所示。 结果表明， 三瓣形喷射器比长方形和圆形射流孔具有更有效的混合性能， 其下游的流动循环比其他射流孔类型的流动循环高200%以上。 Iwasa等［46］还将片状射流孔与圆形射流孔对比， 发现与圆形射流相比， 片状射流具有更低的混合效率， 且动量通量比会对片状喷口射流混合产生影响， 混合效率随动量通量比的增加而增强。

2021年，  Zhang等［47-48］研究了氢/空气同轴喷射对超声速横流中燃料混合性能的影响， 同轴空气/氢气多射流示意图， 如图6所示。 研究表明， 同轴空气/氢气射流的喷射策略增强了燃料与空气射流的相互作用， 显著改善了下游的混合效果。

2022年， Liang等［49］还用大涡模拟和NPLS实验， 在Ma=3的条件下， 对圆管中单孔射流和上下两个射流孔相对喷射的射流结构进行比较， 研究发现由于激波和再循环区的影响， 两个相对喷射射流的总压恢复系数和混合效率均高于单孔射流， 因此， 两个相对喷射射流孔更适合于超燃冲压发动机。 除了单孔和双孔横向射流外， 学者们还研究了多孔横向射流， Gerdroodbary等［50］用Navier–Stokes方程和SST湍流模型进行研究， 由图7的对比图可以看出， 空气射流的存在显著提高了混合速率， 能够使1/4/8/16孔燃料射流的混合效率分别提高116%， 77%， 56%和41%。 当16个燃料射流孔时， 氢射流的混合速率达到最大。

2脉冲射流的研究进展

脉冲射流是指在超声速壁面横向射流基础上对射流孔施加一个具有一定频率和幅值的脉冲， 在横向射流作用的基础上进一步增强燃料与来流空气的混合。 学者们对脉冲射流的研究主要是研究不同频率幅值和脉冲波形对燃料混合增强效果的影响， 徐壮壮等［51］、 唐浩然等［52］对脉冲射流的研究进展进行了总结。

2.1脉冲射流的频率和幅值

Randolph等［53］研究发现当脉冲峰值的压力和动量通量比与稳态射流相等时， 脉冲射流的穿透深度较稳态射流有所提高。 Williams等［54–56］首先在来流速度为Ma=2.3的条件下， 模拟了8 kHz， 16 kHz， 24 kHz和32 kHz的氢燃料喷射频率， 结果表明， 在这些频率范围内， 氢气射流在超声速气流的穿透度增大且在这些频率中16 kHz穿透深度增强效果最明显。 后来又对脉冲射流和稳态射流进行多次研究， 结果表明， 超声速来流中声速氢射流的垂直平均穿透时间和横向扩散时间均增加。 2020年， 将稳态和f=16 kHz的正弦脉冲射流进行对比， 研究表明， 当通量比相等时， 气态氢射流正弦脉动的穿透和混合效果与稳态射流对比有很大的改善。 从图8的马赫数云图和图9的氢气摩尔质量云图可以看出， 与稳态喷射相比， 脉冲喷射方案的瞬时射流穿透和侧向扩散更深。

Zhao等［57-58］研究发现， 脉冲使燃料和超声速来流的混合得到加强， 特别是50 kHz情况下的最佳脉冲频率， 对于较低脉冲频率（如5 kHz）或较高脉冲频率（如200 kHz）， 流场和混合过程将趋向于稳态射流。 后来又通过大涡模拟研究了在具有10°斜坡的超声速来流中具有最佳频率（50 kHz）的脉冲射流的增强混合和燃烧机理， 图10为不同时刻脉冲射流和稳态射流的氢气质量分布云图， 图10中的A， B， C为大尺度氢射流结构， 周期性地出现在下游， 具有更高的射流穿透和更多的气流夹带。 图10（a）～（d）存在由“A”标识的顺时针和逆时针旋转的剪切层漩涡结构（A漩涡结构向左右两边发展）。 但是对于图10（e）中的稳态射流， 仅发现逆时针旋转剪切层涡旋结构。 改变漩涡旋转方向能使混合更加充分， 有利于混合物的燃烧， 从而提高燃烧效率。 对于最优频率下， Zhao等发现弓形激波特征频率为40 kHz， 将40 kHz的脉冲频率进行模拟， 通过图11发现， 40 kHz的脉冲频率对混合效果的改善作用比50 kHz好。 也就是说， 设置脉冲频率与弓形激波特征频率相同， 可以再次增强混合和燃烧效率， 以及提高射流穿透。

孙永鹏等［59-60］对超声速条件下脉冲射流的混合过程进行三维非稳态雷诺平均 （URANS） 模拟， 采用 SST k-ω湍流模型对脉冲射流的脉冲频率和幅值进行了研究， 结果表明， 脉冲频率为50 kHz能达到较好的混合效果， 且幅值的改变对混合过程的影响较为明显。 随着脉冲幅值的增大， 脉冲扰动对射流的扰动作用效果也增大， 氢气质量分数的衰减速率越快， 混合效果随之增强。

2.2脉冲射流的波形

对于脉冲射流的波形， 学者们除了对正弦波进行研究， Sua等［61］、 Coussement等［62］、 Chen等［63］对方形波也进行了研究。 Du等［64-65］采用RANS和SST k-ω湍流模型对射流与来流压力比为10.29和25.15分别用三种不同周期（T₁=0.5×10^-5 s， T₂=1.0×1^0-5s和T₃=1.5×10^-5s）的正弦波與稳态射流进行对比， 研究结果为不同周期的脉冲射流都有利于混合过程， 特别是在射流与来流的压力比较高的情况下， 在减少总压损失和提高燃料穿透深度方面具有独特的优势。 频率较高的T1脉冲射流性能最好， 并预测了脉冲射流混合增强机理的重点是通过间歇喷射将周围的大量空气合并到燃料中心。 除了研究正弦波对射流的影响， Du等还对三角形和正方形脉冲进行了研究， 图12显示了稳态射流和三种不同波形的脉冲射流（不同波形为射流与来流压力比， 保持来流总压不变， 改变射流的压力）。 研究表明， 不同波形的脉冲射流都有利于提高横向射流的混合效率， 脉冲射流中的不同脉冲波会产生不同的涡流结构， 脉冲射流在减小总压损失和混合长度方面具有优势， 但不利于提高燃料的穿透深度。

Li等［66］将三角翼微小斜坡与脉冲相结合， 比较了三种不同压力比下脉冲射流对流场结构影响， 研究结果表明， 在喷注压比小的情况下， 脉冲射流的混合效率低于稳态射流， 但当喷注压比17.72时， 脉冲射流的混合效果比稳态射流好。

脉冲射流不仅对燃料的混合效率产生影响， 学者们还对脉冲射流的点火延迟时间及火焰稳定进行了研究。 He等［67］研究了在不同脉冲频率的火焰自点火图， 结果表明， 脉冲频率为39 Hz的氢气射流已经开始燃烧并且有明显的火焰产生， 然而其他频率的脉冲射流和稳态射流都还没有火焰产生， 这说明频率为39 Hz的脉冲射流能够有效地缩短点火延迟时间。 Tian等［68］通过实验研究了脉冲射流对超燃冲压发动机内流动结构和火焰传播的影响， 结果表明， 与稳态射流条件下的火焰传播过程相比， 脉冲射流喷射有助于实现煤油点火和稳定燃烧。

3凹腔的研究进展

3.1凹腔的分类

在燃烧室的壁面开设一个腔体结构称为凹腔， 凹腔通过声学激励来改变流场的结构而达到增强燃料混合的效果。 凹腔是理想的火焰稳定器［69-70］， 但是其在燃料混合增强中发挥的作用也不可忽视。 Lawson等［71］、 Cai等［72］、 刘欧子等［73］都对凹腔进行了综述， 汪洪波［74］、 赵延辉［75］还对凹腔的流动机制进行研究。

Stallings等［76］按剪切层通过凹腔的特征分为开式凹腔、 过渡凹腔和闭式凹腔。 Guo等［77］也对凹腔进行研究， 三种类型凹腔结构的简易图形， 如图13所示。 图13（a）前缘产生的剪切层跨度大， 几乎可以跨过整个凹腔， 并延伸至凹腔的后向台阶， 凹腔内部产生一个完整的回流区。 图13（b）剪切层也跨越整个凹腔， 但剪切层中部向下凹并部分进入凹腔； 回流区中部受剪切层压迫而向两边部分扩散。 图13（c）剪切层没有直接跨越凹腔， 而是在凹腔的中部附近向下凹陷并且某些点触及凹腔底部， 形成两个互不干扰的单独回流区， 分布在凹腔的前向台阶下游及后向台阶上游。

除了对凹腔的长深比（L/D）进行研究和分类外， Vahideh等［78］还对燃烧室的高度和凹腔深度比（H/D）进行了研究， 研究结果显示， 在固定长深比情况下， 涡量随H/D的减小而增大（D增大）。 因此， H/D=1产生的涡量最大， 但是H/D=1条件下， 凹腔上发生的强波和弱波的反射和干扰使流动不稳定， 尽管从涡量产生的角度来看， 所有方案中H/D=1顯示出最佳结果， 但H/D=2条件下的流动是稳定的， 更符合最佳结果。

3.2凹腔的几何形状

随着对凹腔研究的深入， 学者们从多个方面对凹腔的几何形状和喷射方案进行了创新性的研究， 以寻求更优的混合策略。

后缘突扩凹腔是指凹腔的后向台阶高度低于前向台阶的高度。 Gruber等［79］最先对后缘突扩凹腔进行研究， 发现后缘突扩凹腔对流场的波系结构影响显著。 后来， Yu等［80］对凹腔后向台阶的高度和喷射策略进行对比研究， 图14分别为正负后向台阶高度下氢气质量分数分布图。 研究表明， 当后向台阶低于前向台阶时， 在凹腔前壁进行喷射能使燃料在凹腔内的分布比较均匀， 而后向台阶高于前向台阶时， 逆向喷射更加有利于燃料的混合。 总之， 主回流区强度的减弱有利于燃料的混合。 Cai等［81–83］、 Yang等［84-85］和Li等［86］也对后缘突扩凹腔进行研究， 研究表明后缘突扩凹腔可以降低流量堵塞和总压力损失， 能够更好地缓解热壅塞， 在火焰稳定性上发挥着显著的作用。

学者们对于凹腔的形状也进行了研究。 Kumaran等［87］研究了乙烯在没有凹腔、 方形凹腔和梯形凹腔三种模型燃烧室结构下的超声速燃烧， 虽然方形凹腔和倾斜凹腔具有相同的深度， 但随着倾斜凹腔长度和后缘角度的增加， 燃料停留时间增加， 这将对超声速燃烧的凹腔火焰保持产生积极影响。 Moradi等［88］也对圆形凹腔、 长方形凹腔及梯形凹腔进行对比研究。

Dai等［89］研究了一种带有凹槽的串联凹腔倾斜喷射系统以增强超燃冲压发动机燃烧室内的混合。 图15为带有凹槽凹腔结构示意图， 模拟不同后缘角下有凹槽和无凹槽的流场结构。 结果显示， 带凹槽的构型产生更多流向涡流， 因为凹槽的几何构型增强了涡流和来流之间的剪切效应。 虽然带凹槽结构燃料射流孔处的混合系数稍低， 但下游的燃料混合效果增强， 并逐渐超过无凹槽结构。 此外， 凹槽型结构在喷射角为30°时混合效果最好。

Roos等［90］对上游新月形凹腔的混合效果进行研究， 不仅在凹腔的几何构型上进行了大胆尝试， 还将往常的凹腔置于射流孔下游换到上游进行研究。 几何构型和喷射方案如图16所示， 研究表明， 新月形凹腔可以显著增强高超声速超燃冲压发动机燃烧室流动的混合， 在单孔燃料喷射的情况下， 可将混合效率提高22.6%， 而在带有一个附加射流孔喷射时（图16的射流孔1或射流孔2）， 混合效率可提高到90.1%。 Roos等［91］除了研究新月形凹腔的燃料混合增强， 还对上游新月形凹腔的燃烧特性进行了研究， 结果表明， 新月形凹腔也对燃烧性能的改善起着显著的作用， 特别是使用双孔喷射时的总压损失与单孔喷射差不多， 但是燃烧效率提高114%， 放热效率提高了143%。

3.3凹腔的喷注方式

除了对凹腔形状的改变外， 还可以通过改变喷注策略来增强混合， 张岩等［92］对凹腔的喷注方案进行了综述。 Takahiro等［93-94］对射流孔与凹腔前缘距离对燃料混合的影响进行研究， 结果表明， 在射流孔距离凹腔前缘最近的方案其混合性能较好， 但是， 此方案上方的流动比较不稳定。 后来， Takahiro等还研究了带有凹腔双孔射流中射流孔间的距离对混合效果的影响， 结果为孔间距较大的混合效果较好。 Zuo等［95］研究了斜激波干扰下喷注策略对乙烯射流混合性能的影响， 图17为计算模型和射流喷射位置图， 对喷射角为45°， 90°， 135°的单孔射流及喷射角为90°的双孔射流进行仿真。 分析表明， 双孔射流中乙烯射流之间的相互作用促进了混合过程， 并且在射流孔附近具有显著的混合效果， 射流孔附近混合效率提高了约43.4%且135°乙烯喷射混合性能最好， 这是因为135°喷射角向主流喷射的乙烯会导致射流与超声速来流碰撞， 使乙烯与来流快速混合。

Song等［96］对不同喷射方案下乙烯燃料的混合和燃烧特性进行了实验和数值研究。 数值结果表明， 多孔结构比单孔结构具有更高的混合效率和燃烧效率。 此外， 在实验中还观察到， 火焰的底座没有稳定在固定位置。 除了可以将射流孔从单孔变成多孔外， 还可以进行多孔微射流喷注， Amirhossein等［97］对超声速来流下凹腔内单孔、 双孔和三孔氢气射流的喷注方式进行了研究， 不同射流孔数量对凹腔内混合的影响如图18所示。 结果表明， 随着射流孔数量的增加， 混合速率显著提高， 三孔射流的主要影响是在凹腔内产生多个循环区， 氢在多股射流中的分布更加均匀。

3.4多凹腔及凹腔与其他混合增强方式组合

虽然凹腔既能增强混合又能稳定火焰， 但是其作用效果还是有限的， 随着学者们对混合增强技术研究的不断深入， 单一凹腔的有限功能驱使着学者们不断开拓创新， 于是多凹腔及凹腔与其他混合增强方式的组合不断被设计和实验。

多凹腔组合方式有凹腔的串联与并联， Quick等［98］对串联凹腔进行研究， 上游凹腔增强混合， 下游凹腔发挥火焰稳定的作用， 结果表明， 串联凹腔对燃烧室的性能起到了改善的作用。 高桂雲［99］对并联凹腔上游气态乙烯横向射流的喷注混合及火焰稳定与传播过程进行研究。 潘余［100］、 范周琴等［101］也对多凹腔的混合增强及燃烧性能进行了研究， 图19为串联凹腔和并联凹腔的结构简图。

2020年， Li等［102］对多凹腔混合增强效果进行研究， 研究凹腔的个数、 长深比及射流孔数对混合增强的影响， 分析得到的结论为， 增加凹腔深度可以提高射流下游的混合速率， 射流孔数量和射流空间的增加都能显著提高射流下游的混合。

Li等［103］对燃烧室凹腔上游延伸支板对燃料混合效率的影响进行了全面研究， 研究了多股射流在不同方向进行喷射的氢气分布， 如图20所示。 分析表明， 凹腔内部存在两种循环。 第一个循环是主循环， 靠近倾斜表面， 第二个循环在支板下方靠近垂直壁处产生。 支板延伸到凹腔的一半会降低主循环的功率， 混合区受到限制， 但是增加自由流马赫数会加强支板后面的尾流， 这会增强凹腔内的燃料混合。

Li等［104］将激波发生器与凹腔结合， 结果表明， 楔形激波发生器的存在降低了凹腔内的温度并增强了燃料混合速率。 图21展示了对称平面区域的温度云图， 可以看到激波发生器对凹腔温度变化的影响， 证实了斜激波的强度随着楔形激波发生器角度的增大而放大。 此外， 由于斜激波的增强， 自由流对凹腔的夹带增加， 因此， 凹腔的温度下降。 还注意到， 当激波角度增加时， 出口温度增加； 主循环的温度随着激波角的增加而降低； 二次循环的强度随着激波角的增加而减弱。

Zuo等［105］也将凹腔与楔形斜坡进行组合， 通过数值分析表明， 斜坡的混合效率存在最佳角度， 最佳角度随着射流与来流压力比的增加而减小； 一定范围内的斜激波有利于提高乙烯的穿透深度， 斜坡的较小角度不会造成较大的滞止压力损失。 图22显示了对称平面上的乙烯质量分数分布和流线。 不同的斜激波角对应于不同的燃料质量分数分布。 射流与斜激波的相互作用有助于乙烯的扩散， 这意味着乙烯和空气之间的混合更加有效。 斜激波将导致乙烯浓度在流动方向上更加快速得降低。 对称平面上的流线表明， 在斜激波干扰下， 凹腔再循环区的核心位于凹腔内部较深的位置， 这表明凹腔内部的剪切层较深。 此外， 当斜激波碰撞燃料射流时， 燃料射流更靠近凹腔， 使更多的燃料输送到凹腔。 因此， 在斜激波存在下， 乙烯和空气的混合效率更高。

Kireeti等［106］采用二维RANS方程和SST k-ω湍流模型， 比较了两个串联凹腔与三个支板和四个支板组合的流场特性。 多支板燃烧室的混合性能通过燃烧室的静温来反映， 而燃烧性能通过消耗的氧气质量分数来反映。 与三个支板相比， 因四支板喷射系统在燃烧室的中部消耗的氧气量大， 所以四支板喷射系统中射流孔附近的氧气质量分数较三支板喷射系统低， 增加了燃料的停留时间和火焰稳定性， 以实现更好的燃烧。 图23所示为两个喷射系统的静温云图， 燃烧室出口处温度高能使空气和燃料得到充分混合， 从图23中可以明显看出四支板喷射系统下的出口温度更高， 这是由于此策略下会产生更多的再循環区域和涡流并增强激波间的相互作用（激波-剪切层、 激波-边界层）， 燃料的混合更好， 燃烧强度增加， 从而改善了燃烧。 四支板喷射系统的燃料混合性能和火焰稳定性比三支板喷射系统好。

4总结

混合增强的目标是增强燃料的穿透度和混合效率，  并减小其总压损失和局部热负荷。 本文主要对于混合增强方法中典型主动混合增强方法和被动混合增强方法进行介绍， 主动混合增强方法介绍了脉冲射流， 被动混合增强方法主要介绍了横向射流及凹腔。 得出以下结论：

（1） 横向射流的结构相对简单， 阻力小， 其混合机理是超声速来流与燃料射流相互作用下产生轴向旋转涡对等结构。 影响横向射流混合增强效果的因素有射流出口的几何结构、 射流喷口的数量、 来流与射流的压力比、 射流角度等。 横向射流在保持稳定性及总压恢复系数较好的情况下， 可以用多孔及同轴喷射的喷射策略来增强混合。 未来的研究可以考虑寻求一种衡量标准能对喷射策略进行整体考虑， 如将混合增强效果与总压损失等多方面进行考虑， 获得对整体的效果的评价。

（2） 脉冲射流通过在横向射流的基础上施加脉冲激励来增大来流与射流的接触面积， 以达到增强混合的目的， 影响脉冲射流的混合效果的因素主要有脉冲频率、 脉冲幅值、 脉冲波形等。 只有在有效脉冲频率范围内， 脉冲射流才能够发挥增强混合的作用， 脉冲频率过低或者过高都会使脉冲射流流场趋于稳态射流， 达不到增强混合的效果。 混合效果与幅值呈正相关关系， 即随着幅值的增加而增加。 现在只能在一定范围内通过实验及仿真得出所选用的脉冲频率的最优值， 不能得出频率的最优值， 而最优脉冲频率与弓形激波、 射流剪切层和筒状激波等有关， 后面对脉冲射流的研究可以考虑研究最优脉冲频率与流场的关系。

（3） 凹腔结构简单、 阻力小， 通过声学激励的作用， 既能增强混合效果， 又能稳定火焰， 是设计超燃冲压发动机燃烧室时经常被用到的构型。 影响凹腔混合作用效果的主要因素有射流孔与凹腔的距离、 射流孔的位置、 凹腔的几何结构等。 后面对单一凹腔的研究主要是考虑凹腔的几何结构， 探索混合增强效果和火焰稳定效果良好的凹腔。 凹腔与其他混合增强方式的组合将是未来凹腔的重要运用方式。

对于超燃冲压发动机的混合增强方式未来的发展方向重点之一将会是多种混合增强方式的组合。 超燃冲压发动机在投入使用需要考虑燃烧稳定、 总压恢复系数、 重量、 热防护等多方面问题， 因此， 超燃冲压发动机的发展仍需面临众多挑战。

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Typical Mixing Enhancement Approaches in Supersonic Crossflow

Zhou Yanmei， Wu Jiping， Huang Wei

（Science and Technology on Scramjet Laboratory， College of Aerospace Science and Engineering，

National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Scramjet refers to air entering the combustion chamber at supersonic speed and then mixing and burning with fuel. However， in the condition of such a fast flow speed， it is difficult to achieve full mixing and stable combustion of fuel and air. The previous condition of stable combustion is the full mixing of fuel and air. Therefore， the study of mixing enhancement plays an important role in the development of scramjet engines. Many scholars at home and abroad continue to study and propose mixing enhancement methods to solve the problem of full mixing of fuel and air. This paper mainly summarizes the research progress of transverse injection， pulsed injection and cavity in the mixing enhancement approaches， and puts forward prospects for future development.

Key words： scramjet； mixing enhancement； transverse injection； pulsed injection； cavity