学术研究报告：轴对称超燃冲压发动机模型中的凹腔增强燃烧稳定性研究

作者及机构
本研究由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana–Champaign）的Qili Liu、Damiano Baccarella、Brendan McGann和Tonghun Lee合作完成，发表于2019年5月的《AIAA Journal》，DOI编号为10.²⁵¹⁴⁄₁.J058204。该研究被引用57次，阅读量达623次。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于高超声速推进领域的超燃冲压发动机（Scramjet）燃烧稳定性研究。超燃冲压发动机在飞行马赫数3–25、高度20–55 km的宽域范围内具有高比冲优势，但其核心挑战在于超音速燃烧（Supersonic Combustion）的稳定性。传统矩形燃烧室因角区边界层效应会扭曲火焰传播，而轴对称燃烧室（Axisymmetric Combustor）能避免此类干扰，同时减轻结构重量。然而，轴对称燃烧室中凹腔火焰稳定器（Cavity Flameholder）的燃烧增强机制与矩形燃烧室存在差异，且燃烧室面积膨胀率（Area Relief）对性能的影响尚未明确。因此，本研究旨在通过实验揭示轴对称燃烧室中凹腔对燃烧稳定性的增强机制，并优化燃烧室设计。

关键科学问题
1. 轴对称燃烧室中凹腔如何通过混合增强和火焰尺度增长提升燃烧稳定性？
2. 燃烧室面积膨胀率如何平衡热加载（Heat Loading）与流动阻塞（Flow Choking）？

研究流程与方法

实验平台与模型设计
研究在伊利诺伊大学的ACT-II高超声速电弧加热风洞（Hypersonic Arc-Heated Combustion Tunnel）中进行，模拟马赫4.5的飞行条件（总温2400 K，总压1.0 bar）。实验采用自由射流式轴对称超燃冲压模型，主要模块包括：
- 燃烧室设计：直径35 mm，隔离段为等截面，燃烧段为2°或5°扩张角；燃料通过16个周向分布的声速喷嘴（直径0.75 mm，45°后倾角）注入。
- 凹腔火焰稳定器：深度11 mm，长度35 mm，长深比4（开放式凹腔），斜面角度22.5°。对照组为无凹腔的等截面燃烧室。

诊断技术
1. 压力与热流测量：
- 沿燃烧室壁面布置高频压力传感器（Kulite XTL-190-SM-5A，采样频率20 kHz），监测静态压力分布。
- 燃烧室出口采用皮托管（Pitot Probe）和热流探头（Heat Flux Probe）测量总压和总焓，通过Sutton-Graves半经验公式关联热流与焓值。
2. 火焰结构可视化：
- 羟基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）：激发波长283 nm（OH的A2Σ−X2Π(1,0)带），捕捉火焰瞬态结构。
- 高速羟基化学发光成像：曝光时间23 μs，帧率40 kHz，用于观测凹腔内的火焰动力学。

实验工况
- 对比无凹腔/有凹腔、2°/5°扩张角燃烧室的性能。
- 燃料为乙烯（Ethylene），当量比（Equivalence Ratio, ϕ）范围0.81–3.4，涵盖贫燃至富燃条件。

主要结果

凹腔的燃烧增强机制
1. 混合与火焰尺度增长：OH-PLIF显示，凹腔通过剪切层不稳定性（Shear-Layer Instability）扰动火焰前锋，促进燃料-空气混合，使火焰尺度从毫米级增长至厘米级（图7）。无凹腔时，火焰仅局限于燃料-空气界面。
2. 热加载与压力分布：凹腔燃烧室的壁面压力在扩张段呈现双峰分布（图6a），第一峰源于凹腔斜面的剪切层撞击，第二峰由燃烧热释放驱动。而无凹腔时压力单调下降（图6b），表明热加载不足。
3. 核心流热传递：凹腔将边界层热量传递至核心流，使燃烧室出口热流提升50%（图5a），总压损失可忽略（ϕ≥1.6时）。

面积膨胀率的影响
1. 2°扩张角燃烧室：热加载主导流动过程，ϕ=1.6时发生热壅塞（Thermal Choking），伪激波（Pseudoshock）向上游传播（图10a）。
2. 5°扩张角燃烧室：过度膨胀导致静态温度骤降，火焰淬灭（图14），仅在ϕ=3.4时因激波损失（非热加载）在凹腔附近壅塞（图10b）。
3. 理论验证：基于Crocco-Billig压力-面积关系（pa^ε/(ε−1)=const）的分析表明，5°燃烧室无法通过热加载达到壅塞（图13），与实验结果一致。

结论与价值

科学意义
1. 揭示了轴对称燃烧室中凹腔通过混合增强（而非凹腔燃烧）主导稳定性提升的新机制。
2. 量化了面积膨胀率对热加载与流动壅塞的平衡作用，提出2°扩张角为优化设计。

应用价值
为轴对称超燃冲压发动机的燃烧室设计提供了实验依据，尤其适用于采用内转进气道（Inward-Turning Inlet）的轻量化高超声速飞行器。

研究亮点

1. 创新实验方法：首次在轴对称燃烧室中结合OH-PLIF与高频压力测量，解析了凹腔的混合增强动力学。
   
2. 理论验证：通过经典压力-面积关系验证了热壅塞条件，弥补了轴对称燃烧室数据的空白。
   
3. 工程指导性：明确了扩张角设计的临界值，避免因过度膨胀导致性能恶化。
   

其他发现
- 凹腔无直接燃料喷射时，化学发光成像未检测到凹腔内的燃烧（图8），支持混合增强为主导机制的假设。
- 对比矩形燃烧室，轴对称几何中无角流（Corner Flow）参与质量交换，导致凹腔刷新速率较低，这一差异需在火焰稳定极限模型中予以考虑。

（报告总字数：约1800字）