2. 中国空气动力研究与发展中心 高超声速冲压发动机技术重点实验室, 四川 绵阳 621000
2. Science and Technology on Scramjet Laboratory of Hypervelocity Aerodynamics Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China
自持传播的燃烧波分为爆燃和爆震2种.爆燃波是一道膨胀波, 其相对于反应物以亚声速传播, 跨过反应面压力下降, 近似为等压燃烧, 传统的超燃冲压发动机均是基于爆燃燃烧.而爆震波是一道以超声速传播的带化学反应的激波, 波后的热力学状态参数急剧增加, 反应物跨过爆震波面迅速转变成燃烧产物并释放能量.爆震燃烧近似为等容燃烧, 相比于爆燃燃烧而言具有更高的热力循环效率, 理论上基于爆震燃烧的发动机推力性能可比现有的基于等压燃烧的超燃冲压发动机高30%以上, 尤其是通过CGJ斜爆震方式组织燃烧时, 熵增和总压损失都大大下降, 可以进一步优化发动机的推力性能[1].此外, 爆震燃烧具有自增压、燃烧速率快、超声速传播等特点, 应用于发动机中, 可减小燃烧室尺寸, 实现发动机结构的进一步简化和轻量化[2].一直以来, 爆震燃烧被认为是一种更加适用于高超声速飞行的燃烧方式, 这种方式能够突破目前碳氢燃料超燃冲压发动机的马赫数上限[3G4].根据爆震燃烧传播模式的不同, 目前已提出的爆震发动机概念主要包括脉冲爆震发动机[5-13](Pulsed Detonation Engine, PDE)、超声速脉冲爆震冲压发动机[14-16] (Supersonic Pulsed Detonation Ramjet Engine, SPDRE)、旋转爆震发动机[17-23] (Rotating Detonation Engine, RDE)以及斜爆震发动机[24-29] (Oblique Detonation Engine, ODE)。其中斜爆震发动机是基于驻定斜爆震波的爆震推进装置, 其发动机燃烧室内的斜爆震波可利用固定斜坡进行诱导起爆。在合适的来流条件及斜坡角度下, 斜爆震波成功起爆后可驻定于斜坡表面, 而化学反应也仅在斜爆震波面附近发生, 在微秒量级时间内即可完成, 最后高温气体产物膨胀排出燃烧室产生推力, 其结构如图 1所示。
由于斜爆震波能够驻定在燃烧室内部而不发生间断, 因此只要持续提供超声速来流预混气, 就能够产生连续推力, 它被认为是一种更加适用于高超声速冲压飞行的推进方式。
从20世纪80年代开始, 人们就对斜爆震发动机的可行性进行论证, 并对其性能优势进行评估。Ashford等[31]基于理想气体和真实气体假设对斜爆震发动机的性能进行评估, 发现斜爆震发动机能够提供与扩散燃烧近似的性能, 但在燃烧室尺寸和热防护方面具有较大优势。Kailasanath[32]对爆震燃烧循环相对于传统基于等压燃烧循环的优势进行讨论, 认为爆震发动机的热力循环效率接近等容燃烧, 显著高于等压燃烧循环。Valorani等[33]建立一个数学模型来预测斜爆震发动机的整体性能, 取得了较好的效果。Wolański[34]在对爆震推进进行综述时提到了波兰人Kindracki的工作, 他对3种理想热力循环过程, 即Humphrey循环(Isochoric循环)、Brayton循环(Isobaric循环)和Fickett-Jacobs循环(爆震循环)进行了对比分析, 发现在其研究的初始压比为5的情况下, Fickett-Jacobs循环在3种循环中热力循环效率最高, 比Brayton循环高出20%以上, 甚至略高于Humphrey循环。Wolański还对爆震燃烧相对于爆燃燃烧方式的优势进行了对比总结, 如表 1所示。
长期以来, 各国学者对斜爆震特性进行了不断探索, 研究内容十分丰富, 下文将从斜爆震波的起爆和驻定特性以及斜爆震结构等方面对已有文献进行综述, 重点对斜爆震相关的实验研究进行介绍, 并对主要的数值模拟研究结果进行概述。
1 斜爆震波起爆和驻定特性 1.1 斜爆震波的起爆爆震波的起爆通常分为2种, 即直接起爆和间接起爆。间接起爆就是通常所说的爆燃转爆震(DDT), 这种方式下爆震起爆起始于爆燃燃烧, 经过持续的火焰加速过程达到超声速后突然转变成爆震, 这一起爆方式需要的起爆能量较低, 比较容易实现, 但由于其需要一定的火焰加速时间, 因此起爆时间较长, 通常用于静止气中的爆震波起爆。对于超声速气流中的爆震波起爆, 由于预混气在燃烧室内的驻留时间非常短暂, 爆震波的起爆必须在极短的时间内完成, 因此通常采用直接起爆方式。直接起爆不需要经过火焰加速过程, 而是通过一定手段在极短时间内向预混气中注入极高的能量产生强激波, 波后的高温高压使混合物发生反应并迅速与强激波发生耦合, 最终形成爆震波。直接起爆有多种方式, 如强激波诱导起爆、热射流起爆和光学起爆等。超声速气流中的斜爆震波起爆通常是通过强激波诱导的方式来实现。目前主要有4种实验方案, 一是利用膨胀管[35-37]起爆, 这种方法实现难度较小, 但其工作时间也较短, 斜爆震通常难以达到完全起爆的状态; 二是利用激波管内隔膜进行起爆, 这种实验方案与膨胀管类似, 难度相对较小, 但实验中可供观测的时间窗口较短, 仅能对斜爆震波的瞬时结构进行观测而无法研究其驻定特性; 三是将高速弹丸射入可燃预混气中实现起爆, 此类实验通常是在静止气中完成, 这是目前斜爆震研究应用最多的一种实验方式; 四是利用超声速风洞进行起爆, 这种方法最接近真实斜爆震发动机应用条件, 不仅能够观测到斜爆震波的起爆过程, 还能对起爆后的斜爆震波的驻定特性进行研究, 但是由于斜爆震起爆对来流条件要求极高, 实验系统建造难度大、成本高, 目前基于这种实验手段的研究结果相对较少。
对起爆问题的研究早在19世纪40年代就已经开始。Zeldovich和Leipunsky[38]用高速射弹对激波诱导燃烧和爆震问题进行了研究, 他们发现弓形激波后流动驻留时间与化学反应特征时间之间的关系是影响实验结果的关键因素, 但是由于实验次数不多且不够系统, 获得的结果非常有限。随后, 国内外学者对静止可燃混合气中的高速射弹问题进行了一定的实验研究[39-40], 但研究的重点大多是激波诱导的不稳定燃烧现象[41-47], 而未得到斜爆震波起爆条件的相关规律。图 2为Lehr[48]在实验中得到的激波诱导不稳定燃烧的流场阴影图。
Broda等[49]利用激波管中的薄膜运动成功实现了斜爆震波的起爆, 实验结果表明, 薄膜厚度对斜爆震波起爆的位置有显著影响。当薄膜较厚时, 高压燃烧波在经过激波一段距离后才形成, 斜激波向斜爆震波转变的位置更靠下游。当采用最薄的薄膜进行实验时, 斜爆震波几乎在薄膜斜劈的顶点就实现起爆。Desbordes等[50]采用了与Broda相同的激波管实验方法, 对不同马赫数条件下的斜爆震起爆情况进行了研究, 发现激波管实验与射弹实验相似, 在不同条件下同样存在斜爆震波与激波诱导燃烧两种燃烧机制。Kamel等人[51]通过纹影和平面激光诱导荧光(PLIF)同步技术对高速射弹中的斜爆震以及激波诱导燃烧现象进行了实验观测, 但多数工况下仅得到不稳定燃烧的结果, 仅在活性最高的预混气中成功实现了斜爆震波的起爆。
柳森等[52-53]建立冲压加速器以进行高速射弹起爆斜爆震波的实验研究, 但仅对实验系统的建造和检验给出了详细介绍, 并未给出爆震起爆相关的规律性结果。南京理工大学崔东明等[54-56]以及中国科学院力学研究所袁生学等[57-58]也在同期进行了驻定斜爆震的初步研究与分析, 主要考虑了不同混合物当量比以及运动速度对起爆的影响, 但当时采取的观测手段比较有限, 研究结果也很有限。
Sturtzer[59]利用高速射弹研究了不同可燃混合物中钝头体起爆的几个模态, 得到了流场中激波面与燃烧区的清晰纹影图像。
林志勇[60]利用高焓超声速风洞对激波诱导燃烧和脱体斜爆震波起爆进行了研究, 通过实验分析了激波诱导燃烧和斜激波诱导斜爆震起爆的过程, 并对激波强度、预混气活性以及斜劈角度等因素的影响进行了研究。韩旭[61]同样利用高焓超声速风洞进行了斜劈诱导斜爆震起爆的实验, 对超声速气流中的斜爆震波的起爆问题进行了研究, 结果表明当量比越高, 斜劈角度越大, 越容易起爆, 但马赫数对于起爆极限的影响是不确定的, 斜爆震的起爆是斜劈角度和马赫数这2种相反作用共同导致的。
关于斜爆震波起爆准则的定量研究开始于20世纪90年代, Vasiljev[62]和Lee[63]最早各自独立地提出了基于临界起爆能量的高速射弹直接起爆爆震波的理论, 该理论被称为Vasiljev-Lee准则或者能量准则。该准则认为, 高速射弹在运动中产生的轴对称激波与线能量源产生的圆柱形冲击波的不稳定膨胀类似。在射弹高速运动过程中, 阻力对可燃气做功, 当单位长度内阻力做功不小于圆柱爆震起爆时单位长度内所需要的临界能量时, 斜爆震波才能成功起爆。
Higgins和Bruckner[64]在后来的高速射弹实验中利用压力测量的方法对斜爆震波的起爆进行了研究。实验结果表明, 斜爆震的直接起爆和起爆失败之间存在明显的界限, 将实验结果与能量准则进行对比发现, 当射弹速度接近爆震C-J速度时, 实验结果与能量准则吻合较好。而当射弹速度低于C-J速度时, 能量准则仅在压力小于100kPa的工况下有效, 而对于高压工况, 能量准则会高估其起爆能量, 即在能量准则预测的能够起爆的压力下, 实验中并未实现起爆。Higgins和Bruckner认为造成这种偏差的原因是射弹低速运动时做功的能量不能迅速被可燃气吸收, 因此难以实现直接起爆。
后来Ju等人[65]对激波诱导燃烧和爆震起爆的界限进行数值模拟研究, 指出能量准则之所以存在偏差, 是因为其忽略了有限速率化学反应和不稳定过程的影响, 其假定了可燃气能够瞬时吸收射弹的做功并迅速起爆, 而未考虑自点火延迟效应。基于此认识, Ju等人[66]在之后的数值模拟和理论分析中基于Damköhler数提出了化学动力学准则。该准则认为要实现斜爆震波的成功起爆, 必须满足射弹在预混气中运动的时间内先实现了预混气的自点火, 也就是说只有当Damköhler数Daig=τig/τtr≤1时, 爆震波才能够实现起爆。其中τig表示弓形激波后滞止温度和滞止压力下的自点火延迟时间, τtr表示射弹在可燃气中运动的时间。他们将这一化学动力学准则和能量准则结合起来, 提出了统一的爆震起爆理论, 认为爆震直接起爆必须同时满足2个准则。该统一理论与他们的实验结果非常吻合。
Verreault和Higgins[67]通过系统的实验研究对能量准则和化学动力学准则进行了验证。他们在实验中观测到了5种燃烧机制, 即直接斜爆震波、延迟斜爆震波、不稳定燃烧机制、波分离机制以及完全惰性激波, 如图 3所示, 并结合能量准则和化学动力学准则对各种燃烧机制出现的区域进行了分析, 分析结果如图 4所示。
斜爆震波成功起爆后能够稳定驻定是斜爆震发动机稳定工作的必要条件, 但斜爆震波的稳定驻定并不像斜激波那样容易, 而是需要满足更多的条件。Pratt等[68]最早利用爆震极曲线对斜爆震波的驻定进行理论分析, 他们指出斜爆震波能够稳定驻定的条件是来流马赫数Ma∞>MaC-J, 斜劈角度θw应满足条件θC-J < θw < θdet。其中Ma∞为来流马赫数, MaC-J为预混气的C-J马赫数, θC-J表示对应于C-J斜爆震波的流动偏转角, θdet表示对应于脱体斜爆震波的流动偏转角。Li[69]的观点与Pratt一致, 认为要实现斜爆震波的驻定需要保证斜劈角度小于一个临界的斜劈角度, 一旦斜劈角度大于该角度, 斜爆震波便会从斜劈前缘脱离, 向上游传播, 并认为这个临界角度与斜激波后的声速有关。
目前关于斜爆震波驻定特性的研究多基于高速射弹实验, 日本筑波大学的研究团队在该实验方法上发展较为成熟并取得了较多的研究结果。Maeda[70-71]采用了球形弹丸对驻定斜爆震波进行可视化观测, 其实验结果发现, 射弹上稳定驻定的斜爆震波出现的临界条件可以用弹丸直径和胞格尺寸的比值来表示, 他们得到的弹丸直径与胞格尺寸的临界比值d/λ在3.63~4.84之间, 而对于惰性气体稀释的预混气则在6.0左右, 当比值大于该临界值时, 爆震波能够成功起爆。Maeda等[72]还通过高时间分辨率纹影技术对高速射弹上斜爆震波的演化过程进行观测, 并在临界稳定的C-J斜爆震状态发现了一种由激波诱导燃烧、C-J斜爆震以及局部爆炸组成的不稳定波结构, 即Straw Hat结构, 而这种结构根据斜爆震波是否驻定又可分成2种传播类型, 如图 5所示。此外, Maeda等人[73-74]对高速射弹上的斜爆震波的起爆和自持机理进行了实验研究和理论分析, 并分析了高速射弹的三维曲率效应和尺度效应对斜爆震的影响, 发现三维曲率效应会削弱射弹表面附近的爆震波强度, 且射弹尺度对斜爆震的驻定也具有重要影响。
Kaneshige和Shepherd[75]利用高速射弹对斜爆震波在弹丸上的起爆和驻定条件进行了研究, 发现预混气的初始压力对斜爆震的起爆和驻定有着至关重要影响。因为反应区厚度会随着初始压力的增大而减小, 而只有当反应区厚度与射弹尺寸相比足够小时, 斜爆震才能驻定, 否则斜爆震波将会解耦形成激波诱导燃烧, 并且他们认为, 对于给定的预混气, 斜爆震能够驻定的临界条件是p0a=常数, 其中p0为预混气初始压力, a为射弹的直径。Kasahara等人[76-77]对氪气高度稀释的预混气中驻定在高速射弹上的斜爆震波进行了深入研究, 提出了高速射弹上斜爆震波驻定的经验判据。对于低速运动的射弹, 斜爆震能够驻定的临界条件为α=7.8, 其中α为平均曲率系数; 而对于高速运动的射弹, 其提出了一个半经验公式来预测斜爆震驻定的临界条件, 即
除了高速射弹实验, 国防科技大学在高焓超声速风洞中也开展了斜爆震驻定特性的相关实验研究。林志勇等[78]对脱体斜爆震波的特性进行了研究, 发现脱体爆震波在发展过程中存在强烈的不稳定性, 并且会出现熄灭与重新起爆现象。其分析认为初始的高静温、燃料的低当量比和湍流脉动等因素是导致脱体爆震波熄爆又重新起爆的主要因素。韩旭[61]同样利用高焓超声速风洞实验系统对斜爆震波的驻定特性进行了研究, 其发现由于流道高度有限, 斜爆震波在上壁面发生了反射进而导致斜爆震波前传, 并对前传机理进行了理论分析。
影响斜爆震驻定特性的因素主要有来流预混气工况和斜劈角度, 其中来流工况受可燃气种类、当量比、来流马赫数、来流压力和温度等诸多因素的综合影响, 而这些影响因素中来流马赫数和斜劈角度的影响又最为显著, 因此许多学者对斜爆震驻定特性的研究都是针对不同来流马赫数和斜劈角度。实际上, 更多的关于斜爆震波驻定特性的研究是基于数值模拟手段开展, 且更多关注稳定和不稳定斜爆震波流场结构特征或者斜爆震前传的过程。Lefebvre[79]等对高速射弹起爆的斜爆震驻定特性进行了研究, 发现斜爆震波的驻定和前传与否对马赫数变化非常敏感。Vlasenko[80]发现当大范围地改变来流预混气当量比时, 斜爆震波依然能够稳定驻定, 但斜爆震波面会随着当量比的变化而发生显著弯曲。Fusina等[81-82]和Teng等[83]在研究中发现斜爆震对来流扰动具有较强的抵抗能力而保持稳定。Liu等[84]发现低马赫数条件下, 马赫数降低和斜劈角度的增加都会使得斜爆震波位置前移, 但斜爆震波稳定性更强。此外, 部分学者[85-88]还对斜劈角度大于斜爆震附体角度的脱体斜爆震进行了相关仿真研究。
从以上研究可以看出, 激波管和膨胀管在近期的斜爆震研究中已经很少使用, 高速射弹和超声速风洞是目前斜爆震研究的主要手段。高速射弹实验系统相对来说更为简单, 实验中的干扰因素更少。但由于其观测时间较短, 难以得到长时间稳定驻定的斜爆震波, 并且高速射弹上得到的是轴对称斜爆震波, 其起爆和驻定规律又不能直接用于平面斜爆震波。超声速风洞实验系统理论上与斜爆震应用更加接近, 也能够形成长时间稳定驻定的斜爆震, 是斜爆震实验研究的一个发展方向, 但由于其实验系统复杂, 干扰因素众多, 导致流场结构不清晰, 不利于系统分析, 要有效开展更细致的斜爆震实验, 还需要对实验系统进行极大完善。
2 斜爆震波结构研究 2.1 过渡区结构早期斜爆震波通常被视为一个强的激波间断, 直到Li[89]对斜爆震结构和稳定性进行研究之后, 发现斜爆震波的基本结构包括无反应斜激波、诱导区、爆燃波系以及反应激波, 其中无反应激波和反应激波是通过三波点分开的。Viguier等[90]对驻定的斜爆震波结构进行了实验和数值模拟研究, 其数值模拟得到的斜爆震结构在整体上与实验结果吻合较好, 并且与Li提出的斜爆震波结构一致。而Broda[49]在实验研究中观测到了不同类型的斜爆震结构, 这种结构中并不存在明显的三波点, 而是一种平滑的波面结构, 但由于观测结果不够清晰, 所以并不能完全确认这种结构的存在。直到Vlasenko和Sabel’nikov[80]通过数值模拟研究才确认了这种平滑型斜爆震结构的存在。此后, 斜爆震波的过渡区结构被划分为突跃型和平滑型2种, 如图 6所示。
由于斜爆震波过渡区结构受到来流工况和斜劈角度等诸多因素的共同影响, 而实验手段难以将各种因素的影响完全分离并进行针对性的研究, 因此对过渡区结构的研究多是基于数值模拟手段。早期关于过渡区结构的研究通常关注2种过渡区结构出现的条件, 通过研究得到了大量定性的规律, 一般认为当预混气活性较高, 马赫数较低, 斜劈角度较大时更容易形成突跃型结构, 反之, 则形成平滑型过渡区结构[79, 91]。而后续的研究[92]发现斜劈角度对过渡区结构的影响并非是单调的, 即在能够起爆的情况下, 较小的斜劈角度下也容易形成突跃型过渡区结构。随着研究的不断深入, 学者们发现, 突跃型的斜爆震波结构更加复杂。尤其是近期, 大量研究发现随着来流马赫数的降低, 过渡区结构会更加复杂[93-97], 但这些复杂的过渡区结构仍仅在数值模拟中出现, 而未在实验中得到验证。
除此以外, 国内外学者也对斜爆震波过渡区结构转变条件进行了研究, 不同学者提出了不同的判据[92, 98-100], 且不同判据均有其合理性。实际上, 不同的判据本质上是一致的, 但目前并没有找到能够将它们统一起来的理论。刘彧等[101]基于化学非平衡效应对不同过渡区结构的形成机理进行了分析, 并对比讨论了已有判据的等价性和充要性, 认为2种过渡区结构可能并不存在明显的界限, 并在之后的研究中[102]发现了突跃-平滑型过渡区转变迟滞现象, 一定程度上印证了2种过渡区并不存在明显界限的结论。之后, 为了研究哪种过渡区结构更适用于斜爆震推进, Miao等[103]对不同过渡区结构的斜爆震波的稳定性和热力循环效率进行分析, 发现处于临界转变区域的斜爆震波具有较高的热力循环效率和较强的稳定性, 因此更有利于斜爆震发动机稳定高效工作。
2.2 波面不稳定横波结构过渡区结构属于斜爆震波的宏观特性, 其决定了斜爆震波的整体结构。此外, 与正爆震波一样, 由于爆震燃烧流场具有强烈不稳定性, 斜爆震波面也具有复杂的横波结构, 斜爆震波面胞格结构体现了斜爆震波面的不稳定性, 这是爆震波最重要和最复杂的性质。要对这种不稳定横波结构开展实验研究, 需要时间和空间上具有极高精度的观测手段。
Viguier等[104]在斜激波管中进行了斜爆震结构的实验研究, 通过纹影和PLIF同步技术验证了斜爆震的过渡区结构, 如图 7所示。他们还通过烟膜对斜爆震波面的不稳定胞格结构进行了研究, 发现当诱导时间较短时胞格轨迹是稳定的, 而当诱导时间较长时, 三波点轨迹会出现周期性的不稳定振荡, 且振荡周期和幅度随着诱导时间的增加而增大。实际上, 其研究中除了烟膜图外, 纹影图像精度还是不足以进行更加细致的分析。
此后, 关于斜爆震不稳定横波结构的研究基本都是基于数值模拟方法进行, 由于不稳定横波尺寸较小, 数值模拟研究往往需要极高的网格精度[105]。初期的数值模拟研究[106-107]认为, 斜爆震波面不稳定横波结构与正爆震不同, 这些横波只向流场下游传播, 横波之间几乎没有交叉。而随着数值模拟精度的不断提高, 人们发现在稳定的爆震波面上存在向2个方向传播的横波结构[108-110], 即左行横波和右行横波, 并对微波结构和它们的演化过程进行了分析[111-112]。部分学者还对温度[113-114]、过驱度[115-116]等因素对横波结构的影响进行了系统研究, 并得到了定性和定量的规律。
由此可见, 不论是斜爆震过渡区结构还是波面不稳定横波结构, 大多数结论还是基于数值模拟方法得到, 而受实验手段的限制, 很多结论还无法开展实验验证。尤其是斜爆震波面的横波结构异常精细而复杂, 对其进行更加深入的研究一方面依赖于数值方法的改善和极高的网格精度, 另一方面也依赖于实验研究中采用极高精度的流场观测手段, 而这两者在当前都未能完全解决, 因此其形成机理尚未被完全认识, 更没有合适的理论模型对其进行描述, 直到目前这仍然是斜爆震研究的难点之一。
3 爆震波与湍流边界层的相互作用目前, 绝大多数斜爆震方面的研究都是基于无粘假设, 从而忽略了湍流条件、边界层等复杂因素的影响。而实际上, 爆震波是激波与燃烧相互耦合形成的, 因此同激波类似, 在流场中必然存在复杂的爆震波与边界层相互作用以及爆震波与湍流的相互作用, 但目前相关的研究还非常少。Li等人[117]最早研究了边界层条件下的斜爆震结构, 认为波后边界层对于斜爆震整体结构并没有显著影响。近期王爱峰等[118]也对粘性条件下斜爆震波的起爆和驻定特性进行了数值模拟研究, 其结论与Li基本一致。但两者均是对层流粘性下的波后边界层进行了研究, 而没有涉及到湍流条件下的斜爆震特性。目前可查的湍流与爆震相互作用的相关文献, 绝大多数都是关于湍流对静止气流中正爆震波的传播或者对DDT过程的影响[119-137]。少部分文献对湍流影响下的旋转爆震进行了研究[138-139]。而超声速湍流流动中的斜爆震问题直到近期才得到学者的关注, Choi等[140]对湍流条件下冲压加速器内部流场和边界层影响下的工作性能进行了研究, 分析了波后边界层对斜爆震波反射和驻定特定的影响, 发现边界层对冲压加速器推力性能有显著影响, 并且会减小斜爆震驻定范围。此外, 其研究发现斜爆震流场中会形成分离泡, 对斜爆震流场结构产生影响, 其流场结构如图 8所示。但是Choi等对分离泡的形成条件及其对斜爆震特性的影响没有给出相应的研究结果。
刘彧等[141]基于高焓超声速风洞实验系统研究了湍流边界层对斜爆震结构的影响, 发现来流边界层分离能够影响斜爆震波的过渡区形态。当分离区较小时, 来流边界层对斜爆震形态几乎没有影响。在中等分离区尺度下, 斜爆震会出现间歇性的突跃型和平滑型过渡区结构, 如图 9所示。而在大尺度分离区的影响下, 过渡区结构一般会变为平滑型。此外, Yu等[142]也对不同湍流强度下的斜爆震起爆区长度、起爆极限和过渡区进行了仿真研究, 但没有考虑边界层的影响。
根据仅有的研究结果可知, 湍流条件对斜爆震流场存在显著的影响, 这方面的研究却十分缺乏, 有必要对湍流条件下的斜爆震波起爆过程、流场结构、驻定特性以及不稳定性进行更加系统的研究。而这一方面依赖于超声速来流中斜爆震实验能力的大幅提高, 另一方面也需要将湍流模型和高精度网格合理高效地应用于斜爆震的数值模拟研究。
4 问题与建议从已开展的研究不难看出, 尽管斜爆震发动机的概念已经提出多年, 但斜爆震发动机目前仍然处于基础研究阶段, 人们对真实流动条件下的斜爆震波的认识还不够深刻, 对斜爆震应用的探索也十分有限。这一方面是由于人们对斜爆震波起爆和驻定机理的理论研究还不够透彻, 另一方面, 更主要的原因是斜爆震实验过程中的一系列实际问题难以得到有效解决, 组织斜爆震实验难度极大, 很多工程应用将会面临的实际问题更是涉及较少。目前存在的问题主要包括:
(1) 超声速风洞斜爆震实验系统不够完善。斜爆震波的起爆需要在超声速来流条件下才能实现, 马赫数越高越容易实现斜爆震波的起爆。同时, 斜爆震起爆又受预混气来流静压的显著影响, 来流静压越高, 斜爆震波越容易实现起爆。而提高来流静压和来流马赫数对来流总压和流量提出了极高的要求, 这使得实验系统的建造难度极大, 成本极高。
(2) 斜爆震起爆对来流的混合程度要求很高。斜爆震波的起爆起始于超声速气流中的激波诱导燃烧, 而来流的混合程度将影响到激波诱导燃烧过程, 进而影响到斜爆震波的起爆。如果来流混合不充分, 会增大斜爆震波的起爆难度甚至造成无法成功起爆。即便成功起爆, 也可能影响爆震波的稳定性, 甚至导致斜爆震波熄爆。但目前对高焓来流混合的均匀程度尚没有可靠的测量手段, 这是实验面临的一个重要困难。
(3) 斜爆震起爆和驻定问题。斜爆震波成功起爆并且稳定驻定是斜爆震发动机正常工作的前提条件, 通常斜爆震波的起爆是通过斜劈诱导实现的, 而斜劈的角度对斜爆震波的起爆和驻定有着显著的影响。根据已有研究, 斜劈角度越大, 越有利于斜爆震起爆。但随着斜劈角度的增大, 来流的总压损失和飞行阻力也将显著增大。同时, 斜劈角度的增大也将导致斜爆震波能够实现驻定的工况范围减小, 容易造成斜爆震波脱体前传, 不利于发动机稳定工作。因此, 在减小总压损失、降低起爆难度以及增加斜爆震波驻定范围之间如何取得一个平衡, 也是一个重要课题。
(4) 斜爆震反射及其与边界层相互作用。通常对于斜爆震波的研究均假设斜爆震波在非受限空间中起爆和驻定。但实际斜爆震发动机燃烧室对斜爆震波而言是受限空间, 在这一受限空间内斜爆震波起爆后并不能无限延伸, 必然会在燃烧室壁面上发生反射, 并在反射过程中受到边界层的影响, 这就极易对斜爆震波的流场结构和驻定特性产生影响, 甚至造成爆震波脱体前传。然而, 直到目前人们对斜爆震反射的研究也十分有限, 考虑其与边界层相互作用的研究更是少之又少, 因此人们对于这一过程的内在机理并未深入了解, 更无法通过有效手段对其进行有效控制。
(5) 湍流条件对斜爆震起爆和驻定的影响。在真实飞行条件或者实验条件下, 超声速来流具有显著的湍流特性。目前数值模拟研究多是基于无粘欧拉方程, 很少涉及湍流对斜爆震波的影响, 而在实验研究中又难以对流场的湍流度进行有效的测量或者评估。因此这也是斜爆震研究的一个重要问题。
由此可见, 对接近真实条件下的斜爆震起爆和自持特性进行研究, 深入理解斜爆震不稳定结构形成的本质原因, 加深对斜爆震机理问题的认知, 并探索斜爆震发动机可能面临的实际问题, 将斜爆震研究向工程应用推进, 是当前以及将来一段时间内需要实现的目标。结合当前斜爆震研究发展的现状, 亟待开展的工作主要包括以下几个方面:
(1) 对斜爆震实验方案进行改进和完善, 提高实验能力, 开展更加接近真实条件下的斜爆震研究, 主要包括:(a)建造高焓超声速风洞实验系统, 提高来流马赫数和来流静压, 增强预混气中斜爆震起爆能力; (b)对预混气来流的混合程度进行测量和评估, 并采取有效的措施进一步提高混合效果; (c)采用更加精确的流场观测手段对斜爆震流场进行更加细致的研究; (d)设计可靠的主动或被动手段对流场边界层以及斜爆震波的起爆和驻定进行有效控制。
(2) 开展湍流条件下的斜爆震起爆和驻定特性研究。真实条件下的湍流效应显著, 而在湍流流动中斜爆震的起爆和驻定特性还需要进行深入研究, 特别是湍流条件下的边界层效应对斜爆震起爆和驻定特性的影响规律。此外, 由于斜爆震的稳定性和热力循环效率与来流工况有着相反的变化规律, 分析湍流条件下斜爆震波的稳定性和热力循环效率, 结合发动机参数确定斜爆震发动机的最优工作窗口也至关重要。这也需要在湍流燃烧模型上作出突破, 当前将湍流模型与网格自适应加密技术相结合是较为可行的思路。
(3) 开展受限超声速流道中的斜爆震反射与驻定特性研究。深入研究斜爆震反射及其与边界层相互作用对斜爆震流场结构和驻定特性的影响, 采取有效方案消除其不利影响是一个重要课题。对受限流道中的斜爆震流场建立科学的理论模型, 并探索合适的流道构型, 尽可能增加斜爆震驻定范围是需要探索的重要课题。
(4) 通过进气道压缩、斜劈角度和边界层控制等主动手段控制斜爆震波的驻定和起爆。真实的发动机工作环境极端苛刻, 流场结构非常复杂, 仅仅依靠斜爆震固有的性质实现斜爆震稳定驻定并且有效工作难度极大, 因此实际飞行条件下需要采取一定的主动手段对斜爆震流场进行适当且有效的控制。通过改变进气道压缩条件, 改变斜劈角度以及利用边界层抽吸或者增厚的手段对斜爆震驻定特性进行控制, 是值得探索和尝试的方法。
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