《Propulsion and Power Research》：Investigation of the effects of equivalence ratio on combustion oscillation in scramjet combustors
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当量比（equivalence ratio，ER）在调控燃料燃烧与燃烧稳定性方面具有关键作用，但其对高焓条件下火焰-流动-声学耦合演化的影响仍理解不足。研究人员采用地面直连脉冲燃烧风洞试验，在不同当量比下研究超声速燃烧室内的燃烧过程，利用高速光学成像与同步多点
当量比（equivalence ratio，ER）在调控燃料燃烧与燃烧稳定性方面具有关键作用，但其对高焓条件下火焰-流动-声学耦合演化的影响仍理解不足。研究人员采用地面直连脉冲燃烧风洞试验，在不同当量比下研究超声速燃烧室内的燃烧过程，利用高速光学成像与同步多点壁面压力测量捕捉火焰振荡的时空动力学，并借助模态分解等方法识别燃烧振荡的主要机制。结果表明：在所有受试当量比下，燃烧振荡主要由控制火焰向上游传播与向下游退避的流动诱导机制主导；主导振荡频率随当量比增大而降低，由228 Hz降至82 Hz；随当量比升高，燃烧振荡机制日益受声学效应支配，振荡能量明显增强；基于Rayleigh指数的定量分析显示，热声反馈随当量比增大而逐步加强。该研究定量揭示了高焓超声速燃烧条件下当量比对燃烧振荡模式、频率偏移及热声耦合强度的影响，可为超燃冲压发动机燃烧稳定裕度设计提供依据，推动高超声速飞行器技术发展。
研究背景方面，超燃冲压发动机（scramjet）因高比冲与高推重比成为高超声速飞行的重要动力形式，但在超声速条件下实现稳定燃烧十分困难，非定常燃烧可引发推力波动、进气道不起动与喘振等安全问题。已有文献显示，当量比（equivalence ratio，ER）会显著影响火焰附着、吹熄、再点火、燃烧模式转换、热壅塞与边界层分离等现象，但相关规律高度依赖燃烧室构型与来流条件，不同试验或数值条件下的结论难以直接外推。因此，研究人员需要在特定高焓来流与特定燃烧室构型下开展专项试验，以厘清当量比对燃烧振荡的作用规律，为燃烧稳定性调控提供参考。
该研究发表于《Propulsion and Power Research》。研究人员在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）地面直连脉冲燃烧风洞中开展试验，来流马赫数3，总温1920 K，总压3.0 MPa，来流组分按摩尔分数为43% N2、21% O2、36% H2O，用以模拟马赫8、高度30 km飞行条件；燃烧室含等截面隔离段、长深比10的凹腔与扩张段；燃料为航空煤油，采用垂直壁面多孔喷射；壁面沿中心线布置27个高频压力传感器，采样频率10 kHz。
关键技术方法上，研究人员集成高速火焰自发光成像、高速纹影成像与多点壁面压力测量，形成时空同步诊断；采用快速傅里叶变换（FFT）提取主频，采用本征正交分解（POD）提取火焰场主要相干结构，采用动态模态分解（DMD）分析时空演化模态，并采用Rayleigh指数定量刻画热释放与压力扰动的热声反馈关系。样本与工况来源于上述CARDC脉冲风洞中的ER0.3、ER0.4、ER0.5三组工况。
3.1 不同当量比下的火焰动力学分析
研究人员通过自发光火焰图像与纹影图像观察火焰振荡周期，发现ER0.3呈现Stage I→II→III→I的三阶段循环，火焰在上游再燃与下游减弱间周期切换；ER0.4出现两种随机共存过程，即完整三阶段循环与Stage I→II→I双阶段切换，说明上游与下游燃烧区竞争使振荡模式随机化；ER0.5因下游持续大范围燃烧，不再出现Stage III，主要在Stage I与Stage II间切换。火焰平均图显示，随ER增大，火焰亮度增强、强燃烧区下移且范围扩大；火焰质心概率密度由ER0.3的双峰分布转为ER0.4、ER0.5的宽化非高斯分布，质心均值与标准差增大，偏度由正转负，峰度均大于3，ER0.4峰度达3.41。FFT显示质心振荡主频随ER增大而降低。火焰亮度小提琴图与变异系数、峰峰值、偏度、峰度指标表明，ER从0.3到0.5时火焰亮度不稳定性与间歇性强振荡显著增强。火焰光强功率谱密度显示，主导频率由约227.7 Hz降至114.8 Hz再降至81.7 Hz，谱峰能量由84.3 dB升至约102.3 dB并维持高位，说明燃烧由弱高频振荡转向强低频振荡。
3.2 壁面压力振荡特性
研究人员对27个测点压力信号做频谱分析，发现随ER增大，压力振荡主频下降，低频大幅振荡增强；不同轴向位置测点显示火焰上游传播与下游退避受边界层分离、分离区抬升、斜激波运动和凹腔剪切层调制共同控制。振荡能量在较高ER下更集中到低频带，说明流动诱导机制虽贯穿全过程，但声学效应贡献随ER升高而增强。
3.3 POD与DMD模态分析
研究人员对高速火焰自发光场做POD，前几阶模态捕获大部分能量，主要反映火焰前锋上下游摆振、凹腔剪切层脉动与下游热释放区亮度起伏；DMD进一步给出具有特定增长率与频率的模态，高阶ER下低频次声相关模态能量占比更高。结果显示，随ER升高，大尺度火焰运动模态由高频小尺度占优转向低频大尺度占优，热释放空间分布更集中于下游，且与压力场低阶声学模态耦合更强。
3.4 Rayleigh指数分析
研究人员将火焰光强近似为热释放率，与壁面压力扰动计算Rayleigh指数，发现ER0.3时热声反馈区域有限且相位关系较弱；ER0.4时下游热释放与压力扰动同相区域扩大；ER0.5时同相积分值最大，热声正反馈最强。该结果定量证明当量比升高会强化热释放-压力扰动耦合，使燃烧振荡由流动主导逐步转向热声主导。
讨论与结论部分总结：研究人员指出，已有文献中当量比影响规律依赖构型与来流，本文价值在于同一高焓构型下系统比较ER0.3、ER0.4、ER0.5。随ER增大，火焰动力学由规则三阶段循环变为上游下游竞争与随机双模共存，再变为下游持续燃烧下的双阶段切换；火焰质心下移、亮度与热释放波动增强、非高斯与重尾特征增强；主导振荡频率由228 Hz降至82 Hz；POD/DMD显示大尺度低频模态能量上升；Rayleigh指数证实热声反馈逐步增强。研究意义在于为超燃冲压发动机燃烧室稳定性边界、凹腔构型优化与主动控制提供定量依据。
结论译文：当量比（equivalence ratio，ER）是高焓超声速燃烧室燃烧振荡的关键调控参数。随ER由0.3增至0.5，燃烧振荡由流动诱导的火焰上下游传播机制主导，逐步演变为声学效应增强的热声耦合机制；主导频率由228 Hz降至82 Hz，振荡能量显著增强；火焰质心、亮度和热释放的统计数据表明不稳定性与间歇性上升；POD与DMD揭示大尺度低频火焰模态能量占比提高；Rayleigh指数定量表明热释放与压力扰动的正反馈随ER增大而加强。该认识可用于指导scramjet燃烧稳定裕度设计，支撑高超声速飞行器推进系统发展。
