CN105351112A - 超声速流场中燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法。超声速流场中燃料喷注混合装置包括燃料供应系统、微型切向喷孔和涡流发生器；燃料供应系统提供的气态燃料通过微型切向喷孔注入超声速来流近壁面边界层底部并在边界层上层高速气流带动下流向涡流发生器，借助高速气流和气态燃料在涡流发生器侧边缘的脱落过程形成裹挟有燃料的逆旋流向涡对；逆旋流向涡对借助自身涡结构的自诱导机制逐渐升离壁面进入高速主流；通过逆旋流向涡对在高速主流中不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中发生破裂，使逆旋流向涡对裹挟的气态燃料与高速主流快速混合，达成喷注混合目的，喷注动力源自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，而不依赖于高压驱动。

Description

超声速流场中燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法

技术领域

本发明涉及燃料喷注技术领域，特别地，涉及一种超声速流场中燃料喷注混合装置。此外，本发明还涉及一种包括上述超声速流场中燃料喷注混合装置的超声速流场中燃料低压喷注混合方法。

背景技术

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中燃烧的冲压发动机，其中燃料的喷注、混合是超燃冲压发动机设计中的关键技术之一。射流的穿透高度及其下游的混合效率是评价燃料喷注方案的重要指标，将直接影响发动机的点火及燃烧效率，并对整个发动机的工作过程和整体性能也有着深刻的影响。特别是大尺寸的发动机燃烧室中，为确保燃料与主流的充分接触、混合，需提高燃料的穿透深度。

目前，提高燃料穿透深度的途径主要有两种，一种是在主流中设置支板、喷油杆等附加装置，该方式会在发动机主流中引入很强的激波结构和总压损失，严重制约发动机性能提升，且要保证这些附加装置在燃烧室内部高温高压条件下正常工作，还需对这些附加装置进行冷却，使得整个发动机结构复杂化，可靠性降低。另一种是提高壁面横向射流的喷注压力，该方式直接从壁面向高速主流喷射燃料无需另行设置附件装置，但是对压力供应系统要求较高，且横向射流与高速主流之间存在强烈的相互作用导致射流很快破裂，穿透深度非常有限，混合效果差，也无法满足大尺寸发动机的应用需求。

发明内容

本发明提供了一种超声速流场中燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法，以解决现有燃料喷注方式喷注压力要求高、能量损失大、穿透深度低、混合效果差等技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种超声速流场中燃料喷注混合装置，包括：用于向超声速流道内的高速主流注入气态燃料的燃料供应系统、开设于超声速流道壁面上用于由燃料供应系统向超声速流道内注入气态燃料的微型切向喷孔以及设于微型切向喷孔下游用于形成裹挟有气态燃料的逆旋流向涡对的涡流发生器；燃料供应系统提供的气态燃料通过微型切向喷孔低速注入超声速流道中的高速来流近壁面边界层底部并在边界层上层的高速气流带动下流向涡流发生器，借助于边界层上层的部分高速气流和处于边界层底层的气态燃料在涡流发生器两侧边缘的脱落过程形成两束流向涡，流向涡在涡流发生器尾缘合并形成逆旋流向涡对；逆旋流向涡对借助自身涡结构的自诱导机制而逐渐升离超声速流道壁面进入高速主流并通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中发生破裂，以使逆旋流向涡对中裹挟的气态燃料与高速主流快速混合。

进一步地，燃料供应系统包括用于提供压力大小高于超声速流道内高速主流静压且低于高速主流总压且压力分布均匀的气态燃料的燃料驻室，燃料驻室设于超声速流道壁面内并与微型切向喷孔连通。

进一步地，微型切向喷孔设有多个，多个微型切向喷孔排布成多个纵列和多个横列，呈阵列式排列。

进一步地，微型切向喷孔的输出口偏向高速主流流动方向倾斜。

进一步地，涡流发生器呈斜坡式三角翼构型。

根据本发明的另一方面，还提供了一种超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其包括上述超声速流场中燃料喷注混合装置，在超声速流道壁面的微型切向喷孔注入气态燃料，气态燃料通过微型切向喷孔注入高速来流近壁边界层底部；边界层上层的部分高速气流与气态燃料在涡流发生器边缘脱落生成逆旋流向涡对，并裹挟气态燃料；借助逆旋流向涡对的自诱导速度场输运气态燃料至高速主流；通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中破裂，从而完成气态燃料与高速主流的混合。

进一步地，边界层上层的部分高速气流与气态燃料在涡流发生器边缘脱落生成逆旋流向涡对，并裹挟气态燃料的步骤，具体包括：边界层上层的部分高速气流在涡流发生器侧边缘脱落并卷起形成流向涡，并裹挟一同从涡流发生器侧边缘脱落的气态燃料于流向涡涡核附近；形成于涡流发生器两侧的裹挟有气态燃料的流向涡随后在涡流发生器尾缘合并形成逆旋流向涡对。

进一步地，借助逆旋流向涡对自身的自诱导速度场输运气态燃料至高速主流的步骤，具体包括：逆旋流向涡对在其自身涡结构的自诱导机制作用下逐渐升离壁面，并将其裹挟的气态燃料一同带离超声速流道壁面，并输运气态燃料至高速主流；逆旋流向涡对的涡自诱导机制所依赖的能量来源于来流边界层上层的高速气流自身的动能。

进一步地，通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中破裂，完成气态燃料与高速主流混合的步骤，具体包括：根据逆旋流向涡对在主流中受到的不稳定因素预估逆旋流向涡对的稳定性，并调整涡流发生器的结构参数、有效喷注流速和流量参数；控制逆旋流向涡对在高速主流的预定位置破裂，完成逆旋流向涡对裹挟的气态燃料与高速主流混合。

进一步地，燃料供应系统以稳定和低压状态将气态燃料通过微型切向喷孔以低流速注入高速来流近壁边界层底部。

本发明具有以下有益效果：

1、根据本发明的超声速流场中燃料喷注混合装置，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料通过微型切向喷孔以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器边缘脱落形成逆旋流向涡对并裹挟气态燃料形成虚拟射流，随后借助逆旋流向涡对的自诱导效应即可将逆旋流向涡对自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，因而气态燃料喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料与主流快速充分混合，使得气态燃料的混合效果更好。

2、根据本发明的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，在使用过程中，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料通过微型切向喷孔以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器边缘脱落形成逆旋流向涡对并裹挟气态燃料形成虚拟射流，随后利用逆旋流向涡对的自诱导效应即可将逆旋流向涡对自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，因而气态燃料喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料与主流快速充分混合，使得气态燃料的混合效果更好。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例超声速流场中燃料喷注混合装置的工作原理示意图；

图2是图1中的燃料驻室及喷孔的结构示意图；

图3是图1中的涡流发生器的结构示意图；

图4是本发明优选实施例超声速流场中燃料低压喷注混合方法的流程示意图。

图例说明：

1、高速气流；2、气态燃料；3、超声速流道壁面；4、微型切向喷孔；5、涡流发生器；501、逆旋流向涡对；502、流向涡；6、高速主流；7、燃料驻室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例超声速流场中燃料喷注混合装置的工作原理示意图；图2是图1中的燃料驻室及喷孔的结构示意图；图3是图1中的涡流发生器的结构示意图；图4是本发明优选实施例超声速流场中燃料低压喷注混合方法的流程示意图。

如图1所示，本实施例的超声速流场中燃料喷注混合装置，包括：用于向超声速流道内的高速主流6注入气态燃料2的燃料供应系统、开设于超声速流道壁面3上用于由燃料供应系统向超声速流道内注入气态燃料2的微型切向喷孔4以及设于微型切向喷孔4下游用于形成裹挟有气态燃料2的逆旋流向涡对501的涡流发生器5；燃料供应系统提供的气态燃料2通过微型切向喷孔4低速注入超声速流道中的高速来流近壁面边界层底部并在超声速流道内的边界层上层的高速气流1带动下流向涡流发生器5，借助于边界层上层的部分高速气流1和处于边界层底层的气态燃料2在涡流发生器5两侧边缘的脱落过程形成两束流向涡502，流向涡502在涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501；逆旋流向涡对501借助自身涡结构的自诱导机制而逐渐升离超声速流道壁面3进入高速主流6并通过逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素控制逆流流向涡对501在高速主流6中发生破裂，以使逆流流向涡对501中裹挟的气态燃料2与高速主流6快速混合。达成喷注混合目的，喷注动力源自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，而不依赖于高压驱动。本发明的超声速流场中燃料喷注混合装置，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料2通过微型切向喷孔4以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器5边缘脱落形成逆旋流向涡对501并裹挟气态燃料2形成虚拟射流，随后借助逆旋流向涡对501的自诱导效应即可将逆旋流向涡对501自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料2喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对501从高速来流所继承的动能，因而气态燃料2喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对501随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料2与主流快速充分混合，使得气态燃料2的混合效果更好。

如图1和图2所示，本实施例中，燃料供应系统包括用于提供压力大小高于超声速流道内高速主流6静压且低于高速主流(6)总压(远低于高速主流总压)且压力分布均匀的气态燃料2的燃料驻室7。燃料驻室7设于超声速流道壁面3内并与微型切向喷孔4连通。

如图1和图2所示，本实施例中，微型切向喷孔4设有多个。多个微型切向喷孔4排布成多个纵列和多个横列，呈阵列式排列。

如图1和图2所示，本实施例中，微型切向喷孔4的输出口偏向高速主流6流动方向倾斜。

如图1和图2所示，本实施例中，涡流发生器5呈斜坡式三角翼构型。

如图4所示，本实施例的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，采用上述超声速流场中燃料喷注混合装置，在超声速流道壁面3的微型切向喷孔4注入气态燃料2，气态燃料2通过微型切向喷孔4注入高速来流近壁边界层底部；边界层上层的部分高速气流1与气态燃料2在涡流发生器5边缘脱落生成逆旋流向涡对501，并裹挟气态燃料2；借助逆旋流向涡对501的自诱导速度场输运气态燃料2至高速主流6；通过逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素控制逆流流向涡对501在高速主流6中破裂，从而完成气态燃料2与高速主流6的混合。本发明的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，在使用过程中，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料2通过微型切向喷孔4以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器5边缘脱落形成逆旋流向涡对501并裹挟气态燃料2形成虚拟射流，随后利用逆旋流向涡对501的自诱导效应即可将逆旋流向涡对501自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料2喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对501从高速来流所继承的动能，因而气态燃料2喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对501随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料2与主流快速充分混合，使得气态燃料2的混合效果更好。本方法利用超声速来流自身的动能形成裹挟有气态燃料2的逆旋流向涡对501，并利用逆旋流向涡对501的自诱导效应实现气态燃料2喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对501从高速来流所继承的动能，因而无需为气态燃料2喷注另外提供高压驱动，降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对高速主流6的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对501随后在高速主流6中发生破裂形成的强对流可促使气态燃料2与高速主流6快速、充分混合。

如图4所示，本实施例中，边界层上层的部分高速气流1与气态燃料2在涡流发生器5边缘脱落生成逆旋流向涡对501，并裹挟气态燃料2的步骤，具体包括：边界层上层的部分高速气流1在涡流发生器5侧边缘脱落并卷起形成流向涡502，并裹挟一同从涡流发生器5侧边缘脱落的气态燃料2于流向涡502涡核附近；形成于涡流发生器5两侧的裹挟有气态燃料2的流向涡502随后在涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501。

如图4所示，本实施例中，借助逆旋流向涡对501自身的自诱导速度场输运气态燃料2至高速主流6的步骤，具体包括：逆旋流向涡对501在其自身涡结构的自诱导机制作用下逐渐升离壁面，并将逆旋流向涡对501裹挟的气态燃料2一同带离超声速流道壁面3，并输运气态燃料2至高速主流6；逆旋流向涡对501的涡自诱导机制所依赖的能量来源于来流边界层上层的高速气流1自身的动能。

如图4所示，本实施例中，通过逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对501在高速主流6中破裂，完成气态燃料2与高速主流6混合的步骤，具体包括：根据逆旋流向涡对501在主流中受到的不稳定因素预估逆旋流向涡对501的稳定性，并调整涡流发生器5的结构参数、有效喷注流速和流量参数；控制逆旋流向涡对501在高速主流6的预定位置破裂，完成逆旋流向涡对501裹挟的气态燃料2与高速主流6混合。

如图4所示，本实施例中，燃料供应系统以稳定和低压状态将气态燃料2通过微型切向喷孔4以低流速注入高速来流近壁边界层底部。

实施时，如图1所示，在本优选实施例中，可选地，涡流发生器5侧边缘形成用于裹挟从涡流发生器5两侧边缘脱落的气态燃料2的流向涡502，随后两流向涡502于涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501。具体地，通过微型切向喷孔4的注入高速来流近壁区边界层底部的气态燃料2在边界层上层的高速来流带动下流向下游涡流发生器5，当到达涡流发生器5侧边缘位置附近时，气态燃料2在涡流发生器5侧边缘脱落，脱落的气态燃料2会卷入涡流发生器5侧边缘形成的流向涡502中，两流向涡502会在涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501，从而实现将气态燃料2裹入逆旋流向涡对501的目的。可选地，涡流发生器5可呈斜坡式三角翼构型，简称Ramp型涡流发生器5。其中，可通过调整涡流发生器5的后掠角和高度，以保证气态燃料2在涡流发生器5侧边缘脱落并裹入流向涡502中。可通过匹配流向涡流发生器5的气态燃料2流体流量与涡流发生器5的结构，以保证逆旋流向涡对501的涡强度具有足够的输运能力将其自身与裹挟的气态燃料2带离超声速流道壁面3，并输运至高速主流6直至破裂。其中，由于所裹挟的气态燃料2流体来自超声速流道壁面3内部，其流向速度将明显低于高速主流6，使得气态燃料2流体表面存在较强的剪切应力，诱发K-H涡的形成，强剪切和K-H涡成为逆旋流向涡对501的不稳定因素，使得逆旋流向涡对501在高速主流6的特定位置发生破裂，从而形成大尺度对流结构，有效促进逆旋流向涡对501所裹挟的气态燃料2与高速主流6的混合。具体地，为实现逆旋流向涡502能带动气态燃料2在高速主流6的预定位置破裂，需设计合理的涡流发生器5的结构，如图3所示，涡流发生器5的设计参数可包括高度h、半锥角Ap及弦长C，这三个参数的来源依据是涡流发生器5侧边流向涡502所能裹挟的气态燃料2流体流量、涡流发生器5尾流中的逆旋流向涡502强度及涡流发生器5尾流的动量水平。

如图1和图2所示，在本优选实施例中，可选地，燃料供应系统包括用于提供气态燃料2的燃料驻室7，燃料驻室7设于超声速流道壁面3内，并与微型切向喷孔4连通。如图2所示的具体实施例中，燃料驻室7嵌入超声速流道壁面3内部，且位于微型切向喷孔4下方，以提供气态燃料2和均匀的喷注压力。燃料驻室7会与燃料供应管路连通，燃料供应管路供给的气态燃料2先填充于燃料驻室7内，再从微型切向喷孔4注入高速来流近壁边界层底部，随后在外部高速气流带动下流向涡流发生器5。其中，燃料驻室7的室内压力略高于高速主流6静压(但又远低于高速主流总压)，以保证气态燃料2能够顺利注入微型切向喷孔4，使用中通过调节燃料驻室7的室内压力来调节气态燃料2喷注流量。

如图1和图2所示，在本优选实施例中，可选地，微型切向喷孔4可采用多个且呈阵列式排布，其包括多个纵列及多个横列。微型切向喷孔4可采用M行N列的阵列排布，每一微型切向喷孔4的孔径为，则有效喷注面积为，相较单孔喷注，在相同的喷注流量要求下，所需的喷注压力显著减小，从而有效降低了燃料供应系统的工作压力。可选地，微型切向喷孔4一下游方向倾斜设置。如此，微型切向喷孔4的轴向与超声速流道壁面3成一较小的角度，有效保证喷注气态燃料2可近似沿超声速流道壁面3切向边界层底部流动，减小喷注气态燃料2与高度来流的相互作用，避免产生强激波，有效降低射流自身产生的波阻，提升发动机的性能，并且气态燃料2可维持在紧贴超声速流道壁面3的位置向下游流动，便于气态燃料2裹挟在流向涡502中，可靠性高。可选地，为避免涡流发生器5前缘逆压梯度导致流动分离与喷注过程的耦合，以及避免大范围的边界层分离导致喷注的不稳定，涡流发生器5与微型切向喷孔4阵列之间的间距可合理设置为1倍～2倍边界层厚度。

如图4所示，本发明另一方面还提供了一种采用上述超声速流场中燃料喷注混合装置的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，包括以下步骤：

步骤S1：在超声速流道壁面3附近通过微型切向喷孔4将气态燃料2注入高速来流近壁边界层底部，使气态燃料2在上层高速气流带动下流向下游涡流发生器5。如图2所示的具体实施例中，微型切向喷孔4可采用多个且呈阵列式排布，其包括多个纵列及多个横列。微型切向喷孔4可采用M行N列的阵列排布，每一微型切向喷孔4的孔径为，则有效喷注面积为，相较单孔喷注，在相同的喷注流量要求下，所需的喷注压力显著减小，从而有效降低了燃料供应系统的工作压力。可选地，微型切向喷孔4一下游方向倾斜设置。如此，微型切向喷孔4的轴向与超声速流道壁面3成一较小的角度，有效保证喷注气态燃料2可近似沿超声速流道壁面3切向边界层底部流动，减小喷注气态燃料2与高度来流的相互作用，避免产生强激波，有效降低射流自身产生的波阻，提升发动机的性能，并且气态燃料2可维持在紧贴超声速流道壁面3的位置向下游流动，便于气态燃料2裹挟在流向涡502中，可靠性高。

步骤S2：气流在涡流发生器5边缘脱落生成逆旋流向涡对501，并裹挟气态燃料2。

步骤S3：借助逆旋流向涡对501自身的涡诱导机制输运气态燃料2至高速主流6。

步骤S4：通过逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素控制逆旋涡对在高速主流6中的破裂，完成其所裹挟的气态燃料2与高速主流6的混合。

在使用过程中，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料2通过微型切向喷孔4以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，外层高速气流在涡流发生器5边缘形成逆旋流向涡对501并裹挟气态燃料2形成虚拟射流，随后利用逆旋流向涡对501的自诱导效应即可将逆旋流向涡对501自身及其所裹挟的燃料带入高速主流6，实现气态燃料2喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对501从高速来流所继承的动能，因而气态燃料2喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对高速主流6的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对501随后在高速主流6中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料2与高速主流6快速充分混合，使得气态燃料2的混合效果更好。

如图4所示，在本优选实施例中，可选地，步骤S2具体包括：边界层层上层的部分高速气流1在涡流发生器5侧边缘脱落生成流向涡502，并裹挟一同从涡流发生器5侧边缘脱落的气态燃料2；随后裹挟有气态燃料2的两束流向涡502在涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501。如图1所示，具体地，通过微型切向喷孔4将气态燃料2注入高速来流近壁边界层底部后，气态燃料2在上层高速气流带动下流向所述涡流发生器5，当到达涡流发生器5侧边缘位置附近时边界层上层的部分高速气流1与气态燃料2在涡流发生器5侧边缘脱落，脱落的气态燃料2会卷入涡流发生器5侧边缘形成的流向涡502中，流向涡502会在涡流发生器5尾缘合并形成逆旋流向涡对501，从而实现将气态燃料2裹入逆旋流向涡对501的目的。其中，可通过调整涡流发生器5的后掠角和高度，以保证气态燃料2在涡流发生器5侧边缘脱落并卷入流向涡502中。涡流发生器5可采用斜坡式三角翼构型。

如图4所示，在本优选实施例中，可选地，步骤S3具体包括：借助逆旋流向涡对501的涡自诱导效应将其自身以及其裹挟的气态燃料2带离超声速流道壁面3，并输运气态燃料2至高速主流6。如图1所示的具体实施例，根据涡自诱导原理，逆旋流向涡对501会产生垂直超声速流道壁面3向上的诱导速度，从而使得逆旋流向涡对501裹挟气态燃料2逐渐升离超声速流道壁面3，横向输运至高速主流6，实现气态燃料2喷注的目的。其中，可通过匹配流向涡流发生器5的气态燃料2流体流量与涡流发生器5的结构，以保证逆旋流向涡对501的涡强度具有足够的输运能力将其自身与裹挟的气态燃料2带离超声速流道壁面3。

参阅图4，在本优选实施例中，可选地，步骤S4具体包括：根据逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素预估逆旋流向涡对501的稳定性，并调整涡流发生器5的设计参数，以控制逆旋流向涡对501在高速主流6中的特定区域破裂，完成其所裹挟气态燃料2与高速主流6的混合。如此，采用合适的涡流发生器5，以满足所需的逆旋流向涡对501的稳定性，使得逆旋流向涡对501在高速主流6中能够承受一定的扰动，壁免发生过早破裂，以满足所需的穿透深度。同时由于流向涡所裹挟的气态燃料2流体来自位于壁面内部的低压驻室，其流向速度将明显低于高速主流6，使得气态燃料2流体表面存在较强的剪切应力，诱发K-H涡的形成，强剪切和K-H涡是逆旋流向涡对501在高速主流6中受到的不稳定因素，使得逆旋流向涡对501在高速主流6的一定位置发生破裂，从而形成大尺度对流结构，有效促进逆旋流向涡对501所裹挟的气态燃料2与高速主流6的混合。具体地，如图1和图3所示，涡流发生器5的设计参数可包括高度h、半锥角Ap及弦长C，这三个参数的来源依据是涡流发生器5侧边流向涡502所能裹挟的气态燃料2流体流量、涡流发生器5尾流中的逆旋流向涡强度及涡流发生器5尾流的动量水平。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明的超声速流场中燃料喷注混合装置及方法，在使用过程中，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料2通过微型切向喷孔4以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器5边缘形成逆旋流向涡对501并裹挟气态燃料2形成虚拟射流，随后利用逆旋流向涡对501的自诱导效应即可将逆旋流向涡对501自身及其所裹挟的燃料带入高速主流6，实现气态燃料2喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对501从高速来流所继承的动能，因而气态燃料2的喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对高速主流6的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对501随后在高速主流6中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料2与高速主流6快速充分混合，使得气态燃料2的混合效果更好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

包括：用于向超声速流道内的高速主流(6)注入气态燃料(2)的燃料供应系统、开设于超声速流道壁面(3)上用于由所述燃料供应系统向所述超声速流道内注入所述气态燃料(2)的微型切向喷孔(4)以及设于所述微型切向喷孔(4)下游用于形成裹挟有所述气态燃料(2)的逆旋流向涡对(501)的涡流发生器(5)；

所述燃料供应系统提供的所述气态燃料(2)通过所述微型切向喷孔(4)低速注入所述超声速流道中的高速来流近壁面边界层底部并在边界层上层的高速气流(1)带动下流向所述涡流发生器(5)，

借助于边界层上层的部分高速气流(1)和处于边界层底层的所述气态燃料(2)在所述涡流发生器(5)两侧边缘的脱落过程形成两束流向涡(502)，所述流向涡(502)在所述涡流发生器(5)尾缘合并形成逆旋流向涡对(501)；

所述逆旋流向涡对(501)借助自身涡结构的自诱导机制而逐渐升离所述超声速流道壁面(3)进入高速主流(6)并通过所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中受到的不稳定因素控制所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中发生破裂，以使所述逆旋流向涡对(501)中裹挟的所述气态燃料(2)与所述高速主流(6)快速混合。

2.根据权利要求1所述的超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

所述燃料供应系统包括用于提供压力大小高于超声速流道内所述高速主流(6)静压且低于所述高速主流(6)总压且压力分布均匀的所述气态燃料(2)的燃料驻室(7)，

所述燃料驻室(7)设于所述超声速流道壁面(3)内并与所述微型切向喷孔(4)连通。

3.根据权利要求1所述的超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

所述微型切向喷孔(4)设有多个，

多个所述微型切向喷孔(4)排布成多个纵列和多个横列，呈阵列式排列。

4.根据权利要求3所述的超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

所述微型切向喷孔(4)的输出口偏向所述高速主流(6)流动方向倾斜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

所述涡流发生器(5)呈斜坡式三角翼构型。

6.一种超声速流场中燃料低压喷注混合方法，采用权利要求1至5中任一项所述的超声速流场中燃料喷注混合装置，其特征在于，

在超声速流道壁面(3)的微型切向喷孔(4)注入气态燃料(2)，

所述气态燃料(2)通过所述微型切向喷孔(4)注入高速来流近壁边界层底部；

边界层上层的部分高速气流(1)和所述气态燃料(2)在涡流发生器(5)边缘脱落生成逆旋流向涡对(501)，并裹挟所述气态燃料(2)；

借助所述逆旋流向涡对(501)的自诱导速度场输运所述气态燃料(2)至高速主流(6)；

通过所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中受到的不稳定因素控制所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中破裂，从而完成所述气态燃料(2)与所述高速主流(6)的混合。

7.根据权利要求6所述的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其特征在于，

边界层上层的部分高速气流(1)与气态燃料(2)在所述涡流发生器(5)边缘脱落生成所述逆旋流向涡对(501)，并裹挟所述气态燃料(2)的步骤，具体包括：

边界层上层的高速气流(1)在所述涡流发生器(5)侧边缘脱落并卷起形成流向涡(502)，并裹挟一同从所述涡流发生器(5)侧边缘脱落的所述气态燃料(2)于流向涡(502)涡核附近；

形成于所述涡流发生器(5)两侧的裹挟有所述气态燃料(2)的所述流向涡(502)随后在所述涡流发生器(5)尾缘合并形成所述逆旋流向涡对(501)。

8.根据权利要求6所述的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其特征在于，

借助所述逆旋流向涡对(501)自身的自诱导速度场输运所述气态燃料(2)至所述高速主流(6)的步骤，具体包括：

所述逆旋流向涡对(501)在其自身涡结构的自诱导机制作用下逐渐升离壁面，并将其裹挟的所述气态燃料(2)一同带离所述超声速流道壁面(3)，并输运所述气态燃料(2)至所述高速主流(6)；

逆旋流向涡对(501)的涡自诱导机制所依赖的能量来源于来流所述边界层上层的高速气流(1)自身的动能。

9.根据权利要求6所述的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其特征在于，

通过所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中受到的不稳定因素控制所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)中破裂，完成所述气态燃料(2)与所述高速主流(6)混合的步骤，具体包括：

根据所述逆旋流向涡对(501)在主流中受到的不稳定因素预估所述逆旋流向涡对(501)的稳定性，并调整所述涡流发生器(5)的结构参数、有效喷注流速和流量参数；

控制所述逆旋流向涡对(501)在所述高速主流(6)的预定位置破裂，完成所述逆旋流向涡对(501)裹挟的所述气态燃料(2)与所述高速主流(6)混合。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其特征在于，

燃料供应系统以稳定和低压状态将所述气态燃料(2)通过所述微型切向喷孔(4)以低流速注入高速来流近壁边界层底部。