混合器是将两股压力、温度和速度不同的气流加以混合的机械装置，在航空发动机排气系统中具有广泛的应用，如降低排气噪声^[1-2]、抑制尾焰红外辐射^[3-4]、增进混合效率等^[5-6]。在加力燃烧室中，混合器结构对内外涵气流的混合以及燃烧组织具有重要的影响，常规的环形混合器虽具有结构简单、气动损失小等优点，但由于内外涵为平行进气，两股气流之间的混合主要依赖于射流间的剪切作用，混合效率偏低，从而造成外涵出口下游的气流含氧量高但温度低，而内涵出口下游的气流温度高但含氧量低，不利于加力燃烧过程的组织。因此高效掺混的混合器，尤其是波瓣强迫混合器成为加力燃烧室以及其他新型组合燃烧室关注的一个问题^[7-11]，王伟龙等人^[12]针对一种改进型一体化加力燃烧方案进行了数值模拟研究，研究结果表明，采用波瓣混合器的方案具有较优的总体性能。

国内外研究人员对于波瓣混合器的流场特征、强化混合机制以及影响因素开展了大量的研究工作^[13-19]，但对于波瓣混合器在加力燃烧室中的燃烧效果相关实验研究却并不充分。本文设计了一种典型结构的波瓣混合器，在燃烧实验器上对其掺混和燃烧性能进行了模型实验研究，并与常规的平行进气混合结构进行了对比分析，以加深对于波瓣混合器改善燃烧性能机制的认识。

实验系统如图 1所示。进气系统包括气源和管道，来自于压气机(最大压力0.8 MPa，最大总流量1.5 kg/s)的驱动气流分为两路：一路气流经燃气发生器、稳流段和过渡段进入测试段，该路气流即混合器内涵气流；另一路气流则经电加热器、稳流段和过渡段进入测试段，该路气流即外涵气流。两股气流在测试段形成混合，并进行燃烧，从排气管道排出。外涵管路上设有调节阀，用于调节两路气流的流量分配或内外涵涵道比(Bypass ratio，BR)。同时两股气流在进入混合器之前，分别由各自的标准流量计、总压和温度探针测量其进口质量流量、总压和静温。

图 1 实验系统示意图 Figure 1 Schematic of experimental setup

实验段如图 2(a)所示，内、外涵气流分别经各自的管路进入混合器进口截面，该截面宽度为120 mm，隔流板将其分成两股通道高度分别为39 mm和26 mm的内、外涵通道，其中内涵通道下壁为曲率壁面，用以模拟加力燃烧室内锥，主要结构参数如图 2(b)所示，混合器出口截面位置定义为x=0 mm；混合器采用常规平行进气和波瓣强迫型两种方式，常规混合器即为一块长100 mm、宽120 mm的平板。波瓣强迫混合器结构如图 2(c)所示，波瓣混合器的上下扩张角均选为α=14°，波瓣长度为100 mm、宽度为20 mm；燃烧实验时，稳定器前端位于混合器出口下游x=428 mm处，燃油由布置在稳定器上游(x=300 mm)处的喷嘴注入加力燃烧室。本文实验采用了简单Ⅴ型和内外伸Ⅴ型两种型式的稳定器，如图 2(d)所示。

图 2 测试段示意图 Figure 2 Schematic of test section

本文包括3组实验：

(1) 冷态总压分布测试实验。实验中，内涵气流质量流量为0.3 kg/s，外涵气流的涵道比为0.5。

(2) 热态静温分布测试实验。实验中，内涵气流质量流量为0.226 kg/s，静温控制在700 K；外涵气流的涵道比为0.55和1.21两种，静温为常温。

(3) 燃烧测试实验。内涵质量流量为0.353 kg/s，进口静温为800 K；外涵气流涵道比为0.429和1.0两种，进口静温为400 K。油气比范围为0.028~0.054。

前两组实验未涉及燃烧过程，因此，实验测试时，通道内未设置稳定器，测试截面选择为x=350 mm，该测试截面位于燃油喷嘴和稳定器之间，该处静温采用镍铬-镍硅热电偶(分度号：K)测量，测量精度为0.4%。燃烧实验中，测试截面选择在x=1 200 mm处，出口温度使用水冷双铂铑热电偶(分度号：B)温度耙测量，测量精度为0.5%。热态实验的实验测点及喷油嘴在平面内的相对布置如图 3所示，其中测量耙所对应的3条测试线分别位于z=0 mm，z=45 mm和z= -30 mm。燃烧实验的测点仅为z=0 mm处的5个测点。

图 3 测点及喷油嘴分布 Figure 3 Distribution of test and injection locations

燃烧实验中，为了模拟加力燃烧室内涵和外涵进气温度以及相应的气流组分，采用内涵燃气加温、外涵电加热的方式，即进入内涵通道的来流为单管燃烧室燃烧后的燃气。本文实验中的燃烧效率计算方法为

式中：iT₈，iT₆₅，iT₀分别代表温度为T₈，T₆₅及288.16 K时的“等温燃烧焓差”；C_p8T₈为出口测试截面平均温度为T₈的空气焓；C_p65T₆₅为加力燃烧室进口平均温度为T₆₅的空气焓；f₆₅为加力燃烧室进口截面平均油气比；f_AB为加力油气比；H_f为燃料热值。

图 4为冷态实验测试得到的混合器出口下游x=350 mm截面上内、外涵混合后的总压分布。可以看出，波瓣混合器使得该截面上的混合气流总压分布趋于均匀，比较而言，常规混合器在y=100 mm上方的总压明显大于波瓣混合器。由于常规混合器下游并不产生较强的涡流结构，因此对于不同的z位置，总压的分布并无较大的差距。而对于波瓣混合器而言，不同的z位置对应着波瓣产生的流向涡结构的不同位置，这导致总压分布在z方向上有所差异。

图 4 冷态条件下总压分布 Figure 4 Distribution of total pressure under cold status

引入内外涵进口平均总压p₀，如式(2) 定义

式中:p_p和p_s分别为内涵和外涵的进口总压；m_p和m_s分别为内涵和外涵的进口质量流量。

近似地，将各测点的总压算术平均值作为该截面的混合流平均总压，可以得到，常规混合器的混合流平均总压与内外涵进口平均总压之比约为0.976，波瓣混合器的混合流平均总压与内外涵进口平均总压之比约为0.973。对于两种混合器而言，虽然波瓣混合器使得总压损失略有增大，但增大的幅度很小。

图 5为热态实验测试得到的混合器出口下游x=350 mm截面上内、外涵混合后的静温分布。可以看出，常规混合器的温度分布在y方向变化梯度显著，波瓣混合器使得该截面上的混合气流静温分布趋于均匀，显然这是由于波瓣诱导的流向涡所导致的强化混合结果。

图 5 热态条件下静温分布 Figure 5 Distribution of temperature under hot status

对于常规混合器而言，温度场在z方向分布均匀，因此z位置的变化对温度分布影响很小。而对于波瓣混合器而言，z位置的不同对应了不同的流向涡结构的位置，因此使得温度分布在z方向上有所差异。

注意到该测试截面位于燃油喷嘴和稳定器之间，考虑喷油嘴的位置和喷油的方向(如图 3所示)，可以分析得到，对于常规混合器而言，位于上方的4个喷油嘴所喷射的燃油将经历在y方向60 mm到80 mm区间的静温大幅度变化，这非常不利于燃烧稳定进行，而且燃油沿着y方向的发展，油滴越来越接近低温区域，使得熄火的可能性增加。对于下方的4个喷油嘴，尽管常规混合器为其产生的油路提供了较高的静温，但该区域由于被内涵燃气所占据，使得油滴路经区域的含氧量较低，外涵所引进的氧气并没有充分渗透，使得燃烧过程依然不够合理。而对于波瓣混合器而言，在整个通道截面内，温度分布较为均匀，这为点火和稳定燃烧进行提供了有利条件。

燃烧效率是燃烧室的重要指标，图 6为实验所得的燃烧效率随油气比的关系曲线图。

图 6 燃烧效率随油气比变化 Figure 6 Combustion efficiency varied from fuel-air ratio

由图可见，随着油气比的增加，燃烧效率基本呈现先增后减的规律，最高的燃烧效率对应的油气比基本在0.035~0.040之间；对于波瓣混合器而言，涵道比变化对燃烧效率有一定的影响，在油气比小于0.04时，涵道比为1的情形下的燃烧效率小于涵道比为0.429的情形，当油气比增加到0.04以上时，大涵道比的燃烧效率普遍高于小涵道比。分析认为，当燃烧室总油气比处于低油气比范围内时，燃烧室基本不存在局部富油区，此时的涵道比越低，波瓣混合器的混合效果使得出口气流的温度越高，燃油的雾化、蒸发、掺混能力加强，有利于燃烧；相反，当油气比较高时，燃烧室可能会形成一些局部富油区域，若此时涵道比很低，内涵高温燃气流量大，含氧量低，更容易产生局部富油区，不利于燃烧，从而降低了燃烧效率。

比较图 6(a)和图 6(b)可以看出，同样的油气比和内外涵温度下，波瓣混合器使得加力燃烧室的燃烧效率明显高于环形混合器，相对提高幅度约10%。同时，实验中发现，对于Ⅴ型稳定器，常规混合器在外涵温度为400 K的条件下无法使点火和燃烧顺利地稳定进行，这是因为内外涵气体没有得到较好地混合，不仅温度分布非常不均匀，含氧量的分布也很不均匀，因而不利于点火和燃烧。进一步，实验中提高外涵的进口温度到473 K，如图 6(b)所示，即使如此，也只有涵道比为1的情形下能使得燃烧较顺利进行，但在低油气比下燃烧依旧不稳定。可见波瓣混合器对点火和燃烧的稳定起到了明显作用。

本文设计了一种典型结构的波瓣混合器，在燃烧实验器上对其掺混和燃烧性能进行了模型实验研究，并与常规的平行进气混合结构进行了对比分析。研究表明：

(1) 波瓣混合器使得内、外涵气流掺混的混合气流沿通道高度方向的总压和静温分布趋于均匀，总压损失略大于常规混合器。

(2) 对于波瓣混合器，随着总油气比的增加，燃烧效率基本呈现先增后减的规律，最高的燃烧效率对应的油气比基本在0.035~0.040之间。

(3) 波瓣混合器使得加力燃烧室的燃烧效率明显高于环形混合器，相对提高幅度约10%，同时波瓣混合器对点火和燃烧的稳定起到了明显的改善作用。