0   引　言

超燃冲压发动机具有直接从大气中吸取氧气而不额外携带氧化剂的特点，能够提升高超声速飞行器的有效载荷量，特别适宜在大气层或跨大气层中长时间续航飞行^[1-2]。超燃冲压发动机研究涉及流体力学、材料学、燃烧学等多学科交叉的前沿领域，其中，发动机燃烧室的超声速燃烧是亟需突破的关键技术之一^[3]。由于飞行器飞行过程中的来流速度比较高（马赫数 Ma ≥ 5），来流气体在燃烧室内的滞留时间非常短，空气从发动机捕获截面到尾喷管出口界面的驻留时间通常是ms量级，在该时间尺度内，发动机要实现燃料的喷注、掺混、点火及稳定燃烧是极其困难的。燃料喷注方式的优化设计是克服超声速燃烧难题的关键，因为不同的喷注方式会产生不同的燃料/空气掺混效果^[4-5]，进而影响点火及燃烧的有效性。因此，为进一步揭示超燃冲压发动机燃烧室在高温环境下不同的喷注方式对燃料/空气掺混效果的影响，需要利用先进的非接触式激光光谱诊断技术，以实现超燃冲压发动机高温流场的可视化研究。

激光光谱诊断技术是当前超燃冲压发动机风洞试验的重要测量手段之一，应用较为成熟的有CARS（coherent anti-stokes raman scattering）技术、PLIF（planar laser induced fluorescence）技术、TDLAS（tunable diode laser absorption tomography）技术、HTV（hydroxyl tagging velocity）技术等^[6]。其中，PLIF技术侧重于复杂燃烧流场中组分浓度分布的测量，其空间分辨率高，光路布置也相对容易，可直接获取待测平面不同组分的二维分布，在流场结构的可视化方面具有独特的优势。

在国外，美国斯坦福大学Hanson院士所在团队是早期开展PLIF技术研究的团队之一，在PLIF技术的发展和应用上都取得了一系列的开创性成果，而在超燃领域，他们利用OH‒PLIF技术和激光纹影技术研究了在高马赫数（Ma > 10）、高焓值的来流中横向喷注H₂的流场结构特征^[7]。此外，该团队以美国NASA（国家航空航天局）的研发任务为导向，联合多家航空航天名校，针对超燃冲压发动机的超声速燃烧开展了大量的光谱诊断试验。Danehy和McDaniel等在弗吉尼亚大学的超声速燃烧装置（UVaSCF）上利用OH‒PLIF技术得到了燃烧室H₂燃烧时的火焰结构^[8]。随后，又在该台架上利用双泵浦CARS技术获得了燃烧区域的温度分布^[9-10]，还利用TDLAT技术（即TDLAS技术和计算机层析成像技术的结合）对温度场和组分浓度场进行了二维空间测量^[11]。之后，Danehy^[12]在该校航空航天研究实验室的某小型超燃冲压发动机燃烧室开展了NO‒PLIF试验，利用NO和N₂的混合物作为乙烯燃料的替代物，分别研究了该燃料替代物在有/无激波时的混合情况。除NASA外，Busa和Rice等^[13]在UVaSCF上将TDLAT技术和体式PIV技术相结合，提出了一种直接测量燃烧效率的新方法，并与CFD（计算流体力学）预测的结果相对比，总体吻合度较高；此外，WPAFB的Rankin等^[14]利用丙酮PLIF研究了旋转爆震发动机的燃料/空气掺混过程。选用丙酮作为示踪粒子开展研究的还有美国奥本大学的Reid等^[15]，他们在待测流场前端直接播撒雾化后的丙酮液滴，利用丙酮PLIF技术得到某球状模型区域在低速流场中的密度场分布。综上所述，在超燃环境的组分测量、粒子示踪、流场可视化等方向，PLIF技术在国外已经得到了较为普遍的工程化应用。

国内的激光光谱诊断技术整体起步较晚，总体发展态势仍旧处于“跟跑”阶段，停留在实验室条件下的机理性、探索性的研究内容较多，对于真实的超燃冲压发动机下的工程应用较少。对于以丙酮为示踪粒子的PLIF技术而言，周淼^[16]针对同轴燃烧器的扩散流场，利用丙酮示踪技术开展了冷态流场的气流混合比分布测量研究；曲天娇又针对某撞击式燃烧器利用一条谱线激发丙酮/OH的方法，获取了燃烧工况下产物区的OH分布和未燃区的丙酮（示踪燃料）分布^[17]。此外，王林森等^[18]通过某超燃冲压发动机的台架试验，成功获取了来流空气为冷态时不同支板下燃料（丙酮示踪）/空气的掺混效果，闫博等^[19]利用丙酮/CH₂O双组分PLIF技术研究了预混火焰未燃区/预热区受横向声波激励作用时的变化规律。由于丙酮本身具有燃料的性质，所以示踪技术的研究多停留在冷态试验环境。本文为更贴近发动机的真实工作环境，在前期工作的基础上，开展了热态试验环境（对来流空气进行预加热）下丙酮示踪燃料的高温流场PLIF测量试验。

1   试验设备

1.1   试验台架

试验台架为某直连式超燃冲压发动机燃烧平台，通过控制CH₄/空气/氧气三者间的配比系数调节目标来流总温，使高晗气流氧气摩尔分数占比达到21%。如图1所示，燃烧室可分为3段，依次为等截面积段、扩张段、等截面积段，观察窗位于扩张段的两侧，窗面大小为200 mm × 40 mm。燃烧室出口为开放式出口，设置排气管道将尾气排至厂房外。

图  1  超燃冲压发动机试验台架的结构示意图

Fig.  1  Structure diagram of scramjet test bench

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1.2   试验支板

如图1所示，厚度为6 mm的位置即为喷射支板的安装位置，支板通过螺丝固定安装在左侧侧板上（逆来流方向）。为研究不同结构的喷射支板对燃料/空气掺混效果的影响，本文，通过改变支板的尾缘角和喷孔位置，设计并加工了4套交错楔形支板。支板代号分为NL1、NL2、EL1和EL2，如图2所示。增加扩张尾缘角，可以在流场中形成更强的流向涡；而不同的喷孔位置将使燃料的羽流和流向涡的中心因距离远近的变化发生不同的相互作用。

图  2  4种交错楔形支板的结构示意图

Fig.  2  Structure diagram of four kinds of staggered wedge shaped struts

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从支板喷射出的燃料会与来流空气发生混合，为研究燃料/空气掺混的发展过程，分别选取了轴向距离为支板厚度1倍（P₁）、3倍（P₂）、5倍（P₃）和9倍（P₄）的横截面为待测平面，以NL1支板为例，图3给出了4个待测平面的空间位置示意。

图  3  4个待测平面的空间位置示意图

Fig.  3  Spatial position diagram of four measured planes

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1.3   丙酮蒸汽发生器

当前，国内学者对于丙酮的注入主要是采用丙酮蒸汽/燃料气体前置预混的方式^[17-18]，这样做的优点在于能够实现丙酮蒸汽浓度的精确控制（实时监测温度、压力等），但由于其发生器的罐体结构设计和管路的保温绝热处理较为复杂，尤其是对于超燃冲压发动机试验台架，更是需要大幅度的适应性改造。经综合考虑后，本文参考了美国奥本大学Reid等^[15]设计的丙酮溶液雾化发生装置，自主设计并加工了一套洗气瓶式的丙酮蒸汽发生器，如图4所示。

图  4  丙酮蒸汽发生器的结构示意图

Fig.  4  Structure diagram of acetone steam generator

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用N₂替代燃料的安全气体从丙酮蒸汽发生器的进气口注入，从“气环”上密布的气孔中逸出后与丙酮溶液/蒸汽充分接触，随后N₂和丙酮蒸汽一同从出气口排出。利用丙酮易挥发、饱和蒸气压高的物理性质，在发生器的外壁面环绕一圈电阻丝加热带，促使丙酮溶液加速汽化以产生更多的丙酮蒸汽。

1.4   PLIF测量系统

丙酮作为示踪粒子的优势主要有以下3个方面：1）丙酮价格低廉，相较于NO毒性较低；2）丙酮可直接用YAG（yttrium aluminum garent）激光器四倍频输出，激发光的能量可调节至较高的水平；3）丙酮的荧光光谱较宽，可选用宽带通滤光片“过滤”出丙酮的荧光信号。丙酮PLIF测量系统的主要构成如图5所示。

图  5  丙酮PLIF测量系统的主要构成部分

Fig.  5  Main components of acetone PLIF measurement system

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YAG激光器的重频为10 Hz，调谐后266 nm激光脉冲能量约为40 mJ，经片光系统整形后输出长度近40 mm的窄片光（片光长度略小于窗口尺寸是为了避免激光打在燃烧室壁面上产生较强的散射光干扰信号）。受限于发动机燃烧室的布局和横截面成像的需求，ICCD（intensified charge coupled device）相机只能从燃烧室的侧方对荧光图像进行倾斜拍摄。由于相机倾斜拍摄只能对画幅内的部分区域清晰成像，参考Scheimpflug定律原理，本文研制了一套适配于ICCD相机机身和镜头的移轴转接环（图6），能够满足旋转、平移和俯仰3个维度的范围调节。

图  6  具有三维调节功能的移轴转接环

Fig.  6  Shift axis of transfer ring with three dimensional adjustment function

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本文在完成了热态试验环境的丙酮PLIF测量试验后，又完成了部分工况在H₂点火时（即燃烧实验环境）的OH‒PLIF测量试验。OH‒PLIF测量系统相较于丙酮PLIF测量系统，只需要在YAG激光器后增设染料激光器和倍频模块，并对激光光路略作调整即可，主要构成和系统布局如图5所示。

2   试验结果

2.1   试验工况

相较于冷态试验环境（来流空气不进行加热预处理，总温约为300 K），在发动机燃烧室的前端通过配气使来流空气的总温加热至1200 K，丙酮PLIF测量试验的试验工况涵盖全部支板的4个横截面，共计16个工况；而OH‒PLIF测量试验仅针对EL1、EL2支板各选取了2个横截面，共计8个工况（增加了当量比作为变量）。具体的试验工况如表1所示。

表  1  试验工况表

Table  1  Table of test conditions

序号	来流总温	试验支板	测量截面	燃料当量比
1	1200 K	NL1	P1～P4
2	1200 K	NL2	P1～P4
3	1200 K	EL1	P1～P4
4	1200 K	EL2	P1～P4
5	1500 K	EL1	P2、P4	0.1、0.2
6	1500 K	EL2	P2、P4	0.1、0.2

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2.2   丙酮PLIF测量结果

2.2.1   NL1支板

NL1支板是4种支板的“基准”，无扩张尾缘角，喷口位置也在尾缘基部。NL1支板开有5个喷孔，喷孔的直径约为1 mm（图7中的白色圆圈仅为示意），经与丙酮蒸汽充分混合后的N₂从喷孔喷射出来后（由于丙酮是以气体分子的形式与N₂混合，所以粒子的随流性较好），与主流高温空气发生掺混作用，具体变化过程如图7所示。

图  7  NL1支板P₁～P₄横截面的丙酮PLIF测量结果

Fig.  7  Acetone PLIF measurement results on P₁–P₄ cross sections of NL1 strut

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从图中可以看到，与冷态环境试验结果相比^[18]，在P₁和P₂横截面位置能看到围绕喷孔位置的丙酮示踪区域主体上仍呈现横向的“S”型曲线分布特征，但信号的整体强度明显下降。同时，在P₂横截面之后，信号区域逐渐开始变得“破碎”、“离散”。这主要是因为主流空气受预加热的影响，相较于冷态试验，来流压力更高，气流流向速度更快，流场湍流度增加，主流中丙酮蒸汽分子体积分数下降，即在相同时间内滞留在横截面上的丙酮分子变少。

2.2.2   NL2支板

NL2支板相较于NL1支板改变了喷孔位置的分布，喷孔的数量也由5个变为4个，但喷射流量始终不变（10 g/s）。如图8所示，在P₁和P₂横截面位置，丙酮示踪的燃料主要在靠近喷孔位置的块状带区域分布；在P₃横截面位置能够明显看出NL2支板的燃料/空气掺混效果要优于NL1支板。

图  8  NL2支板P₁～P₄横截面的丙酮PLIF测量结果

Fig.  8  Acetone PLIF measurement results on P₁–P₄ cross sections of NL2 strut

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2.2.3   EL1支板

EL1支板相较于NL1支板也只改变了尾缘角的结构，由平直尾缘角改为扩张尾缘角。从之前的冷态环境试验结果来看^[18]，EL1支板对燃料/空气掺混效果的影响是最优的。而热态环境的试验结果如图9所示，可以看到在P₁和P₂横截面位置的丙酮示踪区域得到了扩张，而在P₃横截面位置，EL1支板的掺混效果又更优于NL2支板。

图  9  EL1支板P₁～P₄横截面的丙酮PLIF测量结果

Fig.  9  Acetone PLIF measurement results on P₁–P₄ cross sections of EL1 strut

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2.2.4   EL2支板

EL2支板相较于NL1支板改变了喷孔位置和尾缘角结构，从测量结果（图10）来看，在P₁和P₂横截面位置，丙酮的示踪区域分布与NL2支板试验结果相似，区别在于其分布区域要更加远离喷孔位置。此外，将EL2支板和EL1支板对比来看，喷孔位置从尾缘基部调整到尾缘角会削弱燃料/空气的掺混效果。

图  10  EL2支板P₁～P₄横截面的丙酮PLIF测量结果

Fig.  10  Acetone PLIF measurement results on P₁–P₄ cross sections of EL2 strut

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2.2.5   小　结

从整体上来看，本文所涉及的4种支板在热态环境中测量得到的试验结果与冷态环境中的试验结果保持了高度一致性。用荧光图像画幅中的燃料扩散区域占比（信号区域像素点/画幅总像素点）来表征支板对燃料/空气掺混效果的影响，如图11所示。EL1支板相较于其余3种支板具有较为突出的优势，但是相对于冷态环境在P₄横截面的掺混占比下降了许多^[18]，造成这一现象的另一个原因是丙酮在1200 K的热态环境下，其本身具有可燃性，极易与来流的高焓空气发生化学反应，甚至直接发生裂解（丙酮分子的裂解温度在800～1300 K），这都会消耗掉部分丙酮分子。本文验证了丙酮PLIF测量技术在超燃冲压发动机高速、高湍流、高温流场中燃料示踪工程化应用的可行性，有助于推广丙酮作为示踪粒子在超燃领域的流场可视化研究。

图  11  4种支板在P₁～P₄截面的燃料扩散区域占比

Fig.  11  Fuel diffusion proportion area of four struts on P₁–P₄ cross sections

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2.3   OH‒PLIF测量结果

从2.2小节可以看出，丙酮PLIF技术在高温流场的测量结果受到多重因素干扰，且由于其本身的燃料性质，不适合应用于发动机超燃流场的示踪研究。为进一步分析支板对流场结构的影响，结合2.2小节的测量结果，本节重点针对引入尾缘角结构的EL1支板和EL2支板，在P₂和P₄横截面位置开展了H₂点火时的OH‒PLIF测量试验。此时，来流空气的总温为1500 K，H₂/空气的当量比Φ 取 0.1或0.2。

2.3.1   EL1支板

选取A-X（1, 0）带的Q1（4）谱线（激光波长为282 nm）作为激发光，P₂和P₄横截面位置得到的OH‒PLIF测量结果如图12所示。

图  12  燃烧条件下EL1支板的OH–PLIF荧光图像

Fig.  12  OH–PLIF fluorescence images of EL1 strut under combustion condition

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在P₂横截面位置，2种当量比条件下的OH信号区域在中部都呈“梳齿状”分布，并相对聚集在靠近燃烧室上/下两侧的近壁面区域；而在P₄横截面位置，信号区域更加“凝实”，并围绕在喷孔位置四周形成“环状”分布。另外，随着当量比Φ的提升，OH的分布区域明显扩大，OH信号明显增强。

2.3.2   EL2支板

相较于EL1支板，EL2支板的OH‒PLIF测量结果的特征没那么明显，如图13所示。在P₂横截面位置，只有当量比Φ = 0.2时能勉强观察到类似“梳齿状”的分布；而在P₄横截面位置，OH信号则富集成“团状”，并分布在靠近燃烧室中心的区域内。从这一点来看，EL1、EL2这2种支板在燃烧条件下，OH的扩散态势与丙酮分子的掺混效果保持相对一致：燃料从EL1支板喷射出来后，与来流空气的掺混效果更好，在H₂点火燃烧时，OH作为表征燃烧效率的典型中间产物，在P₂和P₄横截面位置的生成数量更多，扩散区域更大。

图  13  燃烧条件下EL2支板的OH–PLIF荧光图像

Fig.  13  OH–PLIF fluorescence images of EL2 strut under combustion condition

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3   结　论

为进一步研究在更接近真实的发动机工作状态下，不同支板结构对燃料/空气掺混效果的影响，本文在前期冷态试验环境（来流总温为300 K）的工作基础上，又分别开展了热态试验环境（来流总温为1200 K）的丙酮PLIF测量试验和H₂点火燃烧条件下的OH‒PLIF测量试验，得到如下结论：

1）在热态试验环境下，4种支板的丙酮PLIF信号比冷态试验结果弱，随着测量横截面向后推移，信号区域也逐渐开始变得“破碎”“离散”。

2）在热态试验环境下，改变了尾缘角结构的EL1支板对燃料/空气的掺混效果最优，与冷态试验环境的测量结果一致，验证了丙酮PLIF测量技术在超燃冲压发动机高速、高湍流、高温流场中燃料示踪工程化应用的可行性。

3）在OH‒PLIF测量试验中，从OH的生成数量和扩散区域可以看到，EL1支板对燃烧效率的提升作用更好，这也从燃烧的角度证明了EL1支板是最优选择。