1、冲压发动机燃烧不稳定现象目录 1 推进系统中的燃烧不稳定现象 2 冲压发动机中的燃烧不稳定现象及机理 2.1 热声不稳定机理 2.2 亚声速燃烧不稳定 2.3 超声速燃烧不稳定1 推进系统中的燃烧不稳定现象各种形式推进系统中，在不稳定热释放和流动相互耦合作用下产生的燃烧不稳定现象普遍存在，其常表现为震荡燃烧的形式。20 世纪 40 年代，火箭发动机刚兴起时，几乎都同时性出现了燃烧不稳定现象。阿波罗计划中对燃烧不稳定现象进行了大量研究。F-1 火箭发动机初始设计方案的 44 次试验，发生了 20 次燃烧不稳定，最大振幅甚至达到室压 100%，这种低频大幅震荡，不仅严重影响发动机性能，还具有很大破
2、坏性。1 推进系统中的燃烧不稳定现象对于航空发动机，自20 世纪中期加力燃烧室在发动机中出现之后，其内部的大幅度燃烧脉动问题就一直是工程师在设计阶段或者是投入使用暴露出问题之后需要用各种方式加以解决的问题。1 推进系统中的燃烧不稳定现象20 世纪 70 年代末期，大多数弹用的液体冲压发动机采用突扩型的燃烧室，而火焰稳定器位于突扩段的回流区内。当时，部分的冲压发动机在地面试车阶段，就检测到了高幅度的压力脉动。其频率分布从几十到几千赫兹。研究得出，在 50-500 Hz 范围内的压力脉动，其均方根达到了燃烧室平均压力的 20%以上。2.1 热声不稳定机理与燃烧不稳定同机理的热声现象从 18 世纪就
3、开始被人们所关注了。后来，Rayleigh 仔细的研究了这种现象。1878 年，Rayleigh 首先通过声波和热释放的相互作用阐述了热声不稳定的机理，并且得到一个后来被广泛应用的准则，被称作“Rayleigh 准则”，其可以用一个简介的积分式子表达：2.1 热声不稳定机理式中 Q为不稳定热释放率，p为压力波动量，T 为二者波动周期。这个积分式子描述了 Q和 p的相互耦合关系，其正负决定了一个系统是否发生热声不稳定现象：如果 Q和 p的相位差小于 90，则此积分为正，那么压力波动 p就受到 Q的激励，而反过来 p本身又是不稳定热释放 Q的一个来源，从而这种不稳定振荡就会放大下去，而如果二者相位
4、差大于 90，积分为负，则声波会反过来加强不稳定热释放，而声波本身振荡会减弱。2.1 热声不稳定机理Rayleigh 准则给出了声波和不稳定热量之间的能量转换关系，然而，这仅是一个必要条件。另外一个方面，对于如图所示的这样一个复杂系统而言，除了热源释放这一部分输入的能量之外，此外还有通过端口的声辐射、通过流体的对流、壁面的粘性损失以及热传导而损失掉的能量。因此，即使是 Q和 p满足了 Rayleigh 的这个能量转换的相位关系，如果这个系统通过不稳定的热释放获得的能量多于通过端口辐射、热量损失以及粘性耗散等等效应而损失能量的话，这种声波振荡才可以得到放大、增长以致达到饱和。相反，如果耗散的能量
5、多过于获得的能量，那么这种不稳定振荡就不会建立起来。2.1 热声不稳定机理实际上，上述过程都是在线性理论的范畴内讨论的。而通过对线化方程的分析求解，我们可以得到不稳定发生的条件、以及频率、模态等。然而，线性小振幅在实际自然界当中是不存在的。因此，线性分析不能得到系统的实际耗散行为、系统的最终饱和振幅。比如，在一个实际的热声系统里面，可能存在这样一个值 At，当系统振幅小于 At 的时候，那么是稳定的，只有当振幅超过 At的时候，不稳定才会被触发。而必须通过对描述该系统非线性方程的分析求解，才能够最终得到饱和振幅等一些更接近实际的参数。2.2 亚声速燃烧不稳定通过进行大量试验观察，一般认为,存在
6、于燃烧室的火焰中心区域的大尺度旋涡结构的不稳定热释放是造成亚燃冲压发动机纵向不稳定燃烧的主要原因。这些旋涡结构由反应区不稳定的剪切层引起,且严重影响烧燃过程和火焰的释热率。此不稳定的热量释放可激起声振并可形成一个反馈回路,此时声振在火焰稳定器处引起旋涡脱落,而所造成的不稳定热量释放进一步加剧了声振。另外，还有试验结果表明,火焰区的几何形状对不稳定燃烧的强度有很大影响,即改变火焰几何形状是控制不稳定燃烧的一种方法。2.2 亚声速燃烧不稳定2.2 亚声速燃烧不稳定2.3 超声速燃烧不稳定长期以来，对于超声速燃烧不稳定是否存在，学术界主流的想法是由于声波不能在超声速流动环境中向上游传播，非定常燃烧过
7、程引起的任何流动振荡将从发动机出口排出而不会与火焰区相互作用，从而不会形成“驱动和维持燃烧振荡所需的”闭环反馈循环，因而当时的学术界认为超燃冲压发动机不会发生燃烧不稳定性。然而 2005 年，Ma 等采用直连式超燃冲压发动机试验台，测量到了超燃冲压发动机燃烧室内大幅低频压力振荡。随后通过数值模拟得到了同一频率附近的大幅压力振荡，并通过解析建模确立了这种燃烧不稳定性的发生与激波-火焰相互作用以及燃料喷注-火焰相互作用有关。2.3 超声速燃烧不稳定超声速燃烧不稳定性产生的原因比较复杂，这与超声速燃烧过程中多种流动现象和化学反应强烈耦合有关。高速流动中的高剪切率、高梯度、高三维性以及激波、燃料喷注射
8、流、凹腔等因素及其与燃烧的相互作用，可能引起燃烧不稳定性。由于这种复杂性，目前已有的关于超声速燃烧不稳定性的研究提出了各种机理，从不同角度对超声速燃烧不稳定性作出了解释。这些机理主要可以归纳为两类。2.3 超声速燃烧不稳定第一类机理属于流动不稳定性机理。这类机理强调流动扰动，包括激波与剪切层相互作用引起的流动扰动、凹腔引起的流动扰动等。若这些流动扰动足够大，则会促使燃料喷注射流失稳，进而使高强度释热引起的马赫反射变得不稳定，形成燃烧室内大幅压力振荡。典型的如 Choi 等的研究，他们采用计算流体力学耦合氢氧详细化学反应机理，分辨出了超燃冲压发动机燃烧室内很强的非定常流动特性。2.3 超声速燃烧
9、不稳定该项研究发现，激波与剪切层相互作用可能触发剪切层不稳定性，从而生成大的流动扰动;另外，有凹腔存在时凹腔则会产生更大的流动扰动。来自剪切层或凹腔的扰动使垂直喷注的燃料射流失稳，由此形成的流动非定常性会使高强度释热在喷口上方所形成的马赫反射变得不稳定，从而导致上壁面强烈的压力脉动。2.3 超声速燃烧不稳定第二类机理属于热声不稳定性机理。这类机理强调非定常扰动的反馈循环，包括激波-火焰的声学反馈循环、激波-火焰的声学/对流反馈循环、燃料喷注-火焰的声学/对流反馈循环。下图给出了这三个反馈循环示意图。2.3 超声速燃烧不稳定最近部分研究中发现了更为复杂的机理。在该项工作中，针对不同燃料喷注位置，研究了相应的火焰特性和压力特性。研究发现，若燃料喷注位置与凹腔之间存在燃料/空气预混区，则凹腔支板火焰会点燃此预混区混合气体，并经历类似于爆燃-爆震转换的过程，这种过程与火焰猝熄相耦合，形成低频振荡。
