关于超音速高焓流中液体煤油射流动态扩散特性及机制的实验研究

《Fuel》：Experimental investigation on dynamic diffusion characteristics and mechanism of liquid kerosene jet in supersonic high-enthalpy inflow

本研究通过地面实验和高速 schlieren成像系统，探究液态喷气燃料在超音速高焓流中的动态扩散特性及机制，揭示了不同喷射压力下燃料扩散的双阶段过程及其影响因素。

　　本研究聚焦于液态航空煤油喷射在超音速高焓流场中的动态扩散特性与机制。通过地面实验，结合直接连接的 scramjet 燃烧室测试装置与高速 schlieren 系统，分别在 0.44 MPa、0.60 MPa 和 0.78 MPa 的喷射压力条件下，对煤油扩散过程进行了深入分析。实验结果揭示了煤油在超音速高焓流场中的扩散过程可分为两个阶段：扩散发展和稳态振荡。随着喷射压力的增加，煤油的扩散速度显著提升，扩散范围也相应扩大。同时，喷射压力的变化对煤油的扩散模式、振荡特性以及整体混合效率产生深远影响。

在超音速燃烧室中，燃料的喷射和燃烧组织面临诸多挑战。主要原因是流场中存在强烈的气流速度梯度和湍流，这不仅影响燃料的扩散能力，还对燃烧稳定性构成威胁。为了实现高效的燃烧，燃料必须在极短的时间内完成快速扩散和有效混合。目前，常用的燃料主要包括氢燃料和碳氢燃料。氢燃料因其较高的热容量、比冲以及简单的化学反应特性，成为研究的重点。然而，氢燃料在实际应用中存在诸多问题，如燃料制备、储存以及热防护等，限制了其在高超音速飞行器中的广泛应用。因此，航空煤油（RP-3）等碳氢燃料逐渐成为 scramjet 引擎的优选燃料。航空煤油具有较高的热值和较大的热容，能够有效吸收热量，因此在 scramjet 引擎中被广泛用作推进剂。

与气态煤油相比，液态煤油的燃烧效率、温度分布、混合效率以及燃烧稳定性存在显著差异。液态煤油的燃烧过程受到蒸发、雾化和混合效率的多重影响，因此，深入研究其扩散特性与混合过程对实现 scramjet 燃烧室的高效运行至关重要。目前，常见的喷射方式包括侵入式喷射和非侵入式喷射。其中，壁面喷射是最简单的非侵入式供油方式，它能够提供良好的喷射穿透能力与近场混合效果。在超音速气流与燃料喷射的剪切层中，速度梯度会导致燃料喷射表面出现不稳定的波纹。当这些波纹发展时，液态喷射会形成细丝，细丝在气流作用下进一步破碎，产生更小的液滴。这种由速度梯度引起的不稳定性被称为 Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性，而由密度梯度引起的不稳定性则被称为 Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性。

在气液两相相互作用的环境下，液态燃料能够实现快速雾化。雾化质量直接影响燃料的蒸发强度，而良好的雾化和蒸发特性有助于形成较小的 Sauter Mean Diameter（SMD），从而提升燃料的混合效率。同时，由于喷射具有较高的横向穿透能力和更大的扩展范围，燃料的混合效率得到显著提高。在喷嘴附近的密集喷雾区域，液滴主要来源于液态喷射的表面。随着雾化和蒸发过程的进行，喷雾逐渐稀疏，在远场区域，较大的气流涡旋结构会导致液滴和蒸汽在下游区域进一步扩散。

在流动过程中，由于流场中密度和速度的差异，动量会从高速侧向低速侧转移，质量则在气液界面进行交换。湍流涡旋对混合程度具有决定性作用，而在剪切流中，湍流扩散受到大尺度涡旋结构的影响。因此，研究煤油喷射在超音速高焓流场中的动态扩散机制，有助于更深入地理解燃料在燃烧室内的混合与燃烧过程。

在碳氢燃料的喷射过程中，喷射动量比是决定其扩散能力和分布的关键因素。喷射动量比受到喷射压力、进口气流条件和燃料温度等多方面因素的影响。不同的喷射动量比对混合效率和喷射穿透深度具有不同的影响，其中喷射动量比的增加有助于提升喷射的穿透深度。对于给定的喷射动量比，存在一个最佳的喷射角度，以实现最优的扩散效果。此外，喷射的初始马赫数也对煤油的扩散过程产生重要影响。随着初始马赫数的增加，煤油要达到相同的混合效率所需的扩散距离也随之增加。

在超音速高焓流场中，液态煤油喷射不仅受到粘性气动加热的影响，还经历相变蒸发过程。燃料温度和局部气流速度在煤油的蒸发过程中起着决定性作用。根据蒸发过程的不同阶段，可以将煤油喷射的蒸发区域划分为液相区、体相蒸发区和残余蒸发区。随着超音速进流温度的增加，煤油的蒸发强度显著增强，蒸发距离缩短，从而导致燃料扩散边界出现明显差异。同时，喷射的穿透深度和存活距离也会随着横流温度的升高而显著降低。

在扩散和运输过程中，煤油液滴经历充分的雾化和蒸发。由累积的煤油蒸汽形成的富燃料混合物在燃烧过程中释放的热量会反馈至上游区域，为液滴的蒸发提供热补偿，并有助于燃烧效率的提升。不同喷射当量比下，煤油的停留时间存在差异，这种差异会导致蒸发距离的变化，从而影响局部的混合和燃烧效率。通过数值模拟发现，当液态煤油喷射被雾化和破碎时，它也会经历相变和膨胀，从而显著增强喷射的扩散能力。当预热煤油被用作 ramjet 引擎的燃料时，喷射进入燃烧室后，雾化和蒸发过程得到显著改善，这不仅影响气液混合程度，还对压力和温度场产生重要影响，从而影响点火过程。

冷态煤油喷射具有剪切诱导的破碎和不稳定性，导致明显的时空波动。而超热煤油喷射则表现出较小的时空波动，表明其气液相变过程更加均匀。在超热条件下，主导机制从传统的剪切破碎转变为闪蒸现象。这表明，温度对煤油的喷射和扩散过程具有重要的调控作用。

综上所述，现有研究已对液态碳氢燃料在 scramjet 燃烧室中的雾化、破碎和穿透扩散过程建立了较为全面的认识，并认识到蒸发在液态燃料扩散过程中的重要性。然而，对于蒸发对煤油动态扩散和混合过程的直接影响，以及液态煤油喷射在超音速高焓流场中的动态扩散机制，仍缺乏深入的分析和描述。这一研究空白限制了对超音速湍流混合和燃烧效率的进一步提升。因此，本研究通过地面实验，结合高速 schlieren 成像技术，对煤油喷射在超音速高焓流场中的扩散过程进行了系统研究，获取了其扩散发展特性与动态扩散机制，为 scramjet 燃烧室中燃料的高效混合和燃烧提供了理论基础。

在实验设置方面，本研究主要在与 scramjet 燃烧室测试装置直接连接的通道地板上进行液态煤油的扩散实验。测试装置如图 1（a）所示，主要包括空气加热器、拉瓦尔喷嘴、隔离段、燃烧室和排气段。该装置能够提供马赫数为 2.8、总温度为 1680 K 的超音速高焓进流。燃烧室如图 1（b）所示，具有恒定的截面，其结构设计确保了实验的稳定性与可重复性。

在不同喷射压力条件下，煤油的扩散动态特性表现出明显的差异。如图 4 所示，展示了煤油喷射在 2 秒内的扩散面积随时间的变化情况。为了更好地描述不同喷射压力下煤油分布面积的变化，计算了煤油的平均分布面积以及上下平均振荡边界。平均面积通过 movmean 方法计算，而上下平均边界则通过 movmax 和 movmin 方法确定。从图中可以看出，随着喷射压力的增加，煤油的扩散面积迅速扩大，同时其振荡边界也变得更加明显。这表明，喷射压力的提高不仅加快了煤油的扩散过程，还增强了其在流场中的动态变化。

在喷射压力对煤油扩散和混合过程的影响方面，喷射压力的变化对煤油的扩散模式、振荡特性以及混合效率具有显著影响。在较低的喷射压力下，煤油的扩散主要受到气液剪切不稳定性的控制，表现为高频、小尺度的波动。而在较高的喷射压力下，煤油的扩散范围扩大，其振荡模式逐渐向低频、大振幅的波动转变。这种变化主要由相变膨胀引起，表明在高喷射压力下，煤油的扩散过程更加复杂，涉及更多的物理机制。

此外，喷射压力的变化还影响煤油的雾化质量。在较高的喷射压力下，液滴的雾化更加充分，蒸发过程也更加高效，从而提高了煤油的混合效率。在喷嘴附近的密集喷雾区域，液滴的形成和分布受到喷射压力的显著影响。随着喷射压力的增加，液滴的尺寸减小，分布更加均匀，这有助于提高煤油在燃烧室内的混合效果。同时，喷射压力的提高还增强了煤油在流场中的扩散能力，使其能够在更广泛的区域内实现有效混合。

在实验过程中，煤油的喷射压力被精确控制，并通过高速 schlieren 成像技术记录其扩散过程。图像经过后期处理后，能够清晰地展示煤油在超音速高焓流场中的扩散发展情况。通过对比不同喷射压力下的 schlieren 图像，可以观察到煤油扩散过程中的动态变化。例如，在较低喷射压力下，煤油的扩散边界较为狭窄，而随着喷射压力的增加，扩散边界逐渐扩展，表现出更广泛的分布范围。

在喷射压力对煤油扩散的影响中，还发现随着喷射压力的增加，煤油的扩散过程更加活跃，其振荡特性也更加显著。在高喷射压力下，煤油的扩散不仅受到气液剪切不稳定性的控制，还受到湍流能量交换和相变扰动的影响。这些因素共同作用，使得煤油的扩散过程更加复杂，表现出更强的动态特性。同时，喷射压力的增加还促进了煤油的雾化和蒸发过程，提高了其在燃烧室内的混合效率。

在实验分析中，还发现煤油的扩散过程受到流场中多种因素的共同影响。例如，在高喷射压力下，煤油的扩散不仅受到喷射动量的驱动，还受到气动加热和相变蒸发的共同作用。这种多因素的相互作用使得煤油的扩散过程具有高度的动态性和复杂性。因此，在研究煤油扩散特性时，必须综合考虑这些因素，才能更准确地描述其在超音速高焓流场中的行为。

在实验过程中，还发现煤油的扩散过程受到喷射角度的影响。不同的喷射角度会导致煤油在流场中的分布范围和扩散速度发生变化。例如，在较低的喷射角度下，煤油的扩散主要集中在喷嘴附近，而在较高的喷射角度下，煤油的扩散范围更广，表现出更强的穿透能力。这种变化表明，喷射角度在煤油扩散过程中起着重要的调控作用。

此外，煤油的扩散过程还受到进流条件的影响。例如，在较高的进流马赫数下，煤油的扩散速度加快，但其在流场中的分布范围受到限制。这表明，进流条件对煤油的扩散过程具有重要的影响，必须在实验设计中加以考虑。同时，煤油的扩散过程还受到进流温度的影响。在较高的进流温度下，煤油的蒸发强度增强，扩散范围扩大，但其在流场中的停留时间缩短，这可能导致局部混合效率的下降。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了液态煤油喷射在超音速高焓流场中的动态扩散特性与机制。实验结果表明，喷射压力、喷射角度、进流条件和进流温度等因素共同影响煤油的扩散过程。在较高喷射压力下，煤油的扩散速度和范围显著提升，同时其振荡模式也发生变化，从高频、小尺度的波动转变为低频、大振幅的波动。这一变化主要由相变膨胀引起，表明在高喷射压力下，煤油的扩散过程更加复杂，涉及更多的物理机制。

通过本研究的实验和分析，可以更深入地理解液态煤油在超音速燃烧室中的扩散行为。这不仅有助于优化燃料的喷射和混合过程，还为提高 scramjet 引擎的燃烧效率提供了理论支持。同时，研究结果表明，煤油的扩散过程受到多种因素的共同作用，必须综合考虑这些因素，才能实现燃料的高效混合和燃烧。因此，本研究的发现对于 scramjet 引擎的设计和优化具有重要意义。