支板/凹腔燃烧室混合与燃烧性能研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29765

综述

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支板/凹腔燃烧室混合与燃烧性能研究进展

赵子健, 刘朝阳, 黄伟()

国防科技大学空天科学学院高超声速技术实验室，长沙 410073

收稿日期:2023-10-25 修回日期:2023-11-01 接受日期:2023-12-04 出版日期:2024-08-25 发布日期:2023-12-07
通讯作者: 黄伟 E-mail:gladrain2001@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12002373);湖南省自然科学基金(2021JJ40656);国防科技大学科研计划(ZK21-42)

Research progress on mixing and combustion performance of strut/cavity-based combustor

Zijian ZHAO, Chaoyang LIU, Wei HUANG()

Hypersonic Technology Laboratory，College of Aerospace Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2023-10-25 Revised:2023-11-01 Accepted:2023-12-04 Online:2024-08-25 Published:2023-12-07
Contact: Wei HUANG E-mail:gladrain2001@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12002373);Hunan Provincial Natural Science Foundation(2021JJ40656);National University of Defense Technology Scientific Research Program(ZK21-42)

摘要/Abstract

摘要：

在高超声速飞行条件下，燃料在超燃冲压发动机燃烧室内的驻留时间非常短，燃料与氧化剂的充分混合、点火和维持稳定的燃烧是高超声速推进的关键。为了提高燃烧室中燃料的混合与燃烧性能，国内外研究人员将诸如支板、斜坡、凹腔、后向台阶等增混稳燃装置引入燃烧室，取得了一定成果。在以往的研究中，支板和凹腔在流场中形成的回流区能达到较好增混稳燃效果，受到了广泛的关注与拓展。本文综述了近年来支板、凹腔及支板-凹腔组合构型的国内外研究进展，并对相关研究的未来发展方向作出了展望。

关键词: 超燃冲压发动机, 混合增强, 火焰稳定, 支板, 凹腔

Abstract:

Under hypersonic flight conditions， the residence time of fuel in the scramjet combustor is extremely short， while sufficient mixing， ignition， and stable combustion of fuel and oxidants are important issues for hypersonic propulsion. To improve the mixing and combustion performance of fuel in the combustion chamber， domestic and foreign researchers have introduced mixing and combustion stabilization devices such as struts， ramps， cavities， and backward steps into the combustor， and have obtained certain achievements. In previous studies， the recirculating zone formed by the strut and cavity in the flow field can achieve good mixing and combustion stabilization performance， receiving widespread attention and expansion. This paper reviews the recent research progress on strut， cavity， and strut-cavity combination configurations around the world， and explores the future development direction of related research.

Key words: scramjet, mixing enhancement, flame stabilization, strut, cavity

中图分类号:

赵子健, 刘朝阳, 黄伟. 支板/凹腔燃烧室混合与燃烧性能研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(16): 29765-029765.

Zijian ZHAO, Chaoyang LIU, Wei HUANG. Research progress on mixing and combustion performance of strut/cavity-based combustor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(16): 29765-029765.

图/表 36

图 1

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表 2

凹腔燃烧室的研究内容综述［39，43-55，57-60，65-67，69-70，72，78-83］

研究内容	代表论文	研究方法	模型维数	研究目的
增混稳焰机理	Ruan等^［51］	LES	二维	凹腔燃料停留时间和燃烧效率
	Hammack和Ombrello^［43］	试验		凹腔燃烧室点火过程
	Micka和Driscoll^［44］	试验		凹腔燃烧室稳定燃烧模式
	EUGÊNIO RIBEIRO等^［45］	LES	三维	凹腔燃烧室预混燃烧模式
	Fureby和Nilsson^［46］	LES	三维	凹腔燃烧室稳定燃烧模式
	Zhang等^［53］	试验		后缘突扩凹腔燃烧室燃烧稳定模式
	Cao等^［47］	RANS/LES	三维	凹腔燃烧室中涡结构动力学
凹腔形状及多凹腔构型	Zhao等^［50］	试验		导致燃烧振荡的凹腔参数试验研究
	Kannaiyan^［48］	RANS	三维	不同形状凹腔燃烧室性能
	Ma等^［49］	试验/RANS	三维	凹腔深度对燃烧室混合与燃烧性能影响
	Ruan等^［51］	LES	二维	回流区特征与凹腔的长深比的关系
	Mahto等^［52］	RANS	二维	凹腔参数优化
	Landsberg等^［54］	试验/RANS	三维	前壁倾斜凹腔性能对比
	Dhankarghare等^［55］	RANS	二维	支板腔与壁面凹腔性能对比
	Li等^［57］	RANS	三维	多凹腔串联对混合效率的影响
	Mecklem等^［39］	RANS	二维	凹腔串联位置对燃烧室性能的影响
	Pandey等^［58］	RANS	二维/三维	喷注条件对典型并联凹腔燃烧室性能的影响
	Choubey和Pandey^［59］	RANS	二维	入口条件对典型并联凹腔燃烧室性能的影响
	Qin等^［60］	试验		非对称并联凹腔燃烧室点火与爆轰特性
喷注方式	Wang等^［65］	试验/LES	三维	凹腔上游喷氢燃烧室的燃烧特性
	Jiang等^［66］	RANS	三维	凹腔后缘高度和喷注方式的影响
	Sitaraman等^［67］	AMR	三维	凹腔不同喷注位置对火焰稳定的影响
	Choubey等^［69］	RANS	二维	凹腔底壁喷注燃烧室燃烧特性
	Cao等^［70］	混合RANS/LES	三维	凹腔燃烧室不同喷注位置的燃烧特性
其他因素对凹腔性能的影响	Morales等^［72］	试验		平均压力梯度对凹腔燃烧室性能的影响
	Jia等^［82］	试验		燃料射流压差对凹腔燃烧室性能的影响
	DAI 和YAN^［83］	RANS	三维	流动速度梯度对凹腔燃烧室性能的影响
	文献［78-81］	试验		MCGA等离子体增强燃料点火和燃烧

表 2

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图 27

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图 29

图 30

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表 3

参考文献 107

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102	YARASAI S S， RAVI D， YOGANAND S， et al. Numerical investigation on the performance and combustion characteristics of a cavity based scramjet combustor with novel strut injectors［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2023， 48（14）： 5681-5695.
103	MIAO J J， FAN Y X， WU W Q， et al. Effect of air-assistant on ignition and flame-holding characteristics in a cavity-strut based combustor［J］. Applied Energy， 2021， 283： 116307.
104	SUBHASIS C， PITAMBAR R. LES study on the effect of cavity configuration on combustion characteristics of a scramjet combustor with air-throttling［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 46（43）： 22534-22553.
105	CHAKRAVARTHY S， RANDIVE P， PATI S. Implication of air-throttling on combustion characteristics of cavity-strut based scramjet combustor［J］. Acta Astronautica， 2021， 188： 171-184.
106	DU G M， TIAN Y， LE J L， et al. Experimental investigation of effects of air throttling on combustion characteristics in a kerosene-fueled scramjet at Ma7［J］. Acta Astronautica， 2023， 203： 447-453.
107	LIU Y S， XUE R， LIU J L， et al. Numerical study on the dynamic process of ramjet/scramjet mode transition in the integrated RBCC full flow path through multistage fuel injection strategies［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2023， 146： 106857.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

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支板/凹腔燃烧室混合与燃烧性能研究进展

Research progress on mixing and combustion performance of strut/cavity-based combustor

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研究内容	代表论文	研究方法	模型维数	研究内容
稳焰机理	Li等^［16］	LES	三维	上壁扩张角对燃烧室性能的影响
	Pinto等^［17］	试验	-	滞止温度对火焰稳定模式滞后的影响
	Yuan等^［18］	LES	三维	燃烧室中火焰预混、热声耦合特性
支板形状	Singh和Mukhopadhyay等^［19］	RANS	二维	支板形状和前缘钝化对燃料混合的影响
	Zhang等^［21］	LES	三维	波瓣支板燃烧室湍流燃烧特性
	Zhang等^［20］	RANS	三维	颠簸支板对燃烧室性能提升
	Pranaykumar等^［24］	RANS	二维/三维	空气节流支板对燃烧室性能的影响
	Li等^［26］	RANS	二维	智能可变支板优化燃烧室性能
	Choubey等^［29-31］	RANS	二维/三维	双支板形状、位置与燃料喷注方式
	Nair等^［27-28］	混合RANS/LES	二维	被动辅助支板燃烧室混合与燃烧特性
喷注方式	Pu等^［32］	RANS	二维	双喷孔支板提升燃料混合性能
	Pu等^［33］	RANS	二维	辅助支板主动喷注增混稳燃方案
	文献［34-36］	试验/LES	三维	支板后缘补氧喷注混合与燃烧特性

研究内容	代表论文	研究方法	模型维数	研究目的
增混稳焰机理	赵延辉^［88］	试验及混合RANS/LES	三维	支板-凹腔燃烧室流场结构
	黄志伟^［7］	LES	三维	点火和火焰建立过程中回流区内的能量聚散
	Suneetha等^［89］	RANS	二维	流动条件对燃烧室流动物理特性的影响
	Yu等^［90］	试验		支板-驻涡凹腔燃烧室点火和火焰传播性能
	陈兴良等^［6］	RANS	三维	支板-凹腔组合稳焰机制
	刘特特^［91］	RANS	二维	凹腔长深比及位置对燃烧室性能影响
几何形状及多支板或凹腔组合	Suneetha等^［92］	RANS	二维	单支板双凹腔增混稳燃性能
	Suneetha 等^［93］	RANS	二维	支板形状对支板-凹腔燃烧室性能的影响
	Suneetha等^［95］	RANS	二维	双支板单凹腔增混稳燃性能
	Lakka 等^［96］	RANS	二维	凹腔形状对支板-凹腔燃烧室性能的影响
	Kireeti等^［97］	RANS	二维	多支板多凹腔组合构型提升燃烧室性能
	Kireeti等^［98］	RANS	二维	喷氢气压力对三支板四凹腔燃烧室性能影响
	Kireeti等^［99］	RANS	二维	四支板-凹腔与三支板-凹腔性能对比
	文献［100-101］	RANS	二维	非对称并联凹腔位置对支板燃烧室性能影响
喷注方式	Yarasai等^［102］	RANS	三维	对比不同支板喷孔形状混合和燃烧特性
	Miao等^［103］	试验		燃烧室空气辅助喷注提升点火和火焰传播性能
	文献［104-105］	LES	二维	空气节流对支板-凹腔燃烧室性能的影响
	Du等^［106］	试验		空气节流对支板-凹腔燃烧室点火性能的影响
	Liu等^［107］	RANS	三维	RBCC燃烧室模态转换动态特性研究