学术研究报告：轴对称超燃冲压发动机中的凹腔火焰稳定机制研究
一、研究团队与发表信息
本研究由Qili Liu（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系）、Damiano Baccarella（同单位）、Will Landsberg（昆士兰大学高超声速研究中心）等合作完成，发表于《Proceedings of the Combustion Institute》2018年卷。论文标题为《Cavity flameholding in an optical axisymmetric scramjet in Mach 4.5 flows》，DOI编号10.1016/j.proci.2018.08.037。
二、学术背景与研究目标
科学领域与背景
研究聚焦于超燃冲压发动机（scramjet）的燃烧稳定性问题，属于高超声速推进与燃烧科学的交叉领域。传统矩形截面发动机因角区边界层效应（corner boundary-layer effects）会导致流动畸变和火焰传播不稳定，而轴对称构型能消除此类干扰，为燃烧基础研究提供更纯净的流场环境。
研究动机
- 问题：烃类燃料（如乙烯）在超音速流中点火延迟时间长，火焰驻留困难，易引发发动机“非启动（unstart）”。
- 现有方案：凹腔火焰稳定器（cavity flameholder）通过低速回流区和激波再压缩提升燃烧效率，但其在轴对称构型中的动态特性尚未明确。
- 目标：验证轴对称构型下凹腔的火焰稳定能力，揭示其与流动、激波的相互作用机制。
三、研究流程与方法
1. 实验系统设计
- 设备：采用高焓电弧加热超音速燃烧风洞（ACT-II），模拟马赫4.5飞行条件（总温2200 K，总压160 kPa），运行时间1秒。
- 发动机模型：光学轴对称超燃冲压发动机（直径35 mm），包含16个周向均布的45°斜射乙烯燃料喷嘴，下游配置凹腔（深11 mm，长35 mm，22.5°斜坡角）。
- 对比组：替换凹腔为等直径直管，以评估其作用。
2. 关键实验技术
- 流动与火焰表征：
- OH-PLIF（平面激光诱导荧光，Planar Laser-Induced Fluorescence）：通过283 nm激光激发OH自由基（Q1(7)跃迁），以315 nm荧光成像瞬态火焰结构。
- 静态压力测量：15个Kulite传感器监测激波/边界层相互作用区域。
- 皮托管扫描：测量出口径向马赫数分布。
- 数值模拟：使用Eilmer3求解器（基于RANS方程）优化进气道/隔离段设计，避免激波诱导的非启动。
3. 实验方案
- 燃料条件：无燃料、空气喷射、乙烯喷射（当量比φ=0.64⁄1.06/1.56）。
- 数据采集：压力信号（20 kHz采样率）、OH-PLIF图像（100 ns曝光时间）。
四、主要结果与逻辑链条
1. 凹腔的火焰稳定作用
- 火焰分布：OH-PLIF显示，凹腔使火焰沿剪切层扩展，形成连续燃烧区（图3）；无凹腔时火焰仅存于薄层（φ=1.10条件下）。
- 压力分布：凹腔斜坡处压力显著上升（图4a），表明燃烧放热集中于近壁区；核心流马赫数下降主要源于激波损失（图5）。
2. 流动与燃烧耦合机制
- 剪切层主导：凹腔前缘剪切层不稳定化促进火焰从层流向湍流过渡（φ=0.64时火焰前沿光滑，φ=1.06时呈锯齿状）。
- 激波增强：凹腔斜坡产生的再压缩激波与主流相互作用，形成局部高压区，进一步稳定火焰。
3. 热释放影响
- 核心流与近壁区解耦：热添加（heat addition）使近壁区马赫数降低约15%，但对核心流影响微弱（图5），表明能量传递存在空间选择性。
五、结论与价值
科学意义
- 首次在轴对称超燃冲压发动机中实现乙烯燃料的凹腔稳燃，证实其在高焓流中的有效性。
- 揭示热释放与激波损失的协同作用，为燃烧室设计提供理论依据。
应用价值
- 优化发动机构型：轴对称设计可规避矩形发动机的角区流动畸变，提升燃烧效率。
- 指导燃料策略：证实无需腔体内直接燃料喷射或强制点火，简化系统复杂度。
六、研究亮点
- 创新实验平台：首次结合OH-PLIF与轴对称光学发动机，实现全流道火焰可视化。
- 多尺度分析：从微观OH分布到宏观马赫数剖面，完整解析燃烧-流动耦合机制。
- 数值-实验协同：Eilmer3模拟精准预测激波结构，验证了设计可靠性。
七、其他发现
- 自点火特性：高焓流（T0>2000 K）中乙烯无需外部点火，与低焓流（T0<1300 K）的强制点火机制形成对比。
- 剪切层动态：火焰稳定位置取决于剪切层速度与火焰传播速度的平衡，而非传统“火焰锚定”理论。
（报告全文约2000字）