“工程技术”专栏

本篇文章收录于“工程技术”专栏，该专栏主要发表工程领域的文章，旨在从多维度呈现该领域的前沿研究与学术动态。

• 本文撰稿人介绍

刘建 副教授 中南大学

瑞典隆德大学博士及博士后，中南大学航空航天技术研究院副教授。长期从事涡轮叶片冷却、超燃冲压发动机再生冷却、超声速流动燃烧计算等研究工作。目前已发表SCI期刊论文80余篇，英文著作3部，中文专著1部，国际会议特邀报告2次，获得Aerospace 期刊“2023 Young Investigator Award”(每年评选1人)。3篇论文入选ESI高被引用论文，Scopus总被引用2300余次，h-index 26。主持装备预研、国防科工局支撑项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金等项目10余项。担任Aerospace、Energies、Foundations 等国际期刊编委；担任IJHMT、ATE、IJTS 等十余个国际期刊审稿人。

• 编委鉴赏

旋流稳燃技术是航空发动机燃烧室的核心技术之一，其燃烧稳定性直接关系到发动机的安全性与排放性能。随着全球航空业碳减排目标的推进，未来清洁预混燃烧系统的设计面临着燃烧不稳定性这一重大挑战。Palies教授这篇综述文章系统梳理了旋流稳燃预混燃烧领域近五十年的研究进展，从非反应旋流流动的基础理论出发，深入探讨了旋流火焰的稳燃机制、模态转换、涡破碎以及燃烧不稳定性等关键科学问题。

该文的一大亮点在于提出了静-动态流场分解 (Static-Dynamic Flow Decomposition, SD-FD) 这一新颖分析框架，将流场变量分解为静态分量与动态分量，为理解旋流火焰的稳燃与动态响应提供了全新视角。文章还系统总结了旋流数振荡、当量比振荡、涡卷起等扰动源对火焰动态的影响机制，并对氢气等未来燃料在旋流燃烧中的应用前景进行了前瞻性讨论。文中提出的研究框架与未来展望，既可为基础科研人员提供完整的理论参照，也能为航空燃烧室的工程设计提供清晰的思路指引，对旋流燃烧领域的技术迭代有重要的参考价值。

• 文章导读

旋流稳燃技术广泛应用于航空发动机领域，通过旋流诱导产生中心回流区 (Inner Recirculation Zone, IRZ)，在已燃气体与新鲜反应物之间形成低速高温区域，从而实现火焰的稳定锚定。然而，流动动力学、燃烧过程与声学之间的耦合可能引发燃烧不稳定性，这是未来清洁预混燃烧系统设计必须考虑的关键问题。本文系统综述了旋流稳燃部分预混与全预混火焰的物理与化学机理，涵盖了火焰稳燃、模态转换、旋流数振荡、当量比振荡以及涡卷起等核心过程

• 研究材料与方法

本文是一篇综合性综述文章，系统梳理了自1970年代以来旋流稳燃燃烧领域的研究成果。作者从非反应旋流流动的基础研究出发，回顾了涡破碎现象的理论与实验研究进展。在研究方法层面，文章涵盖了理论分析、实验测量与数值模拟三大类手段：实验方面包括激光多普勒测速 (Laser Doppler Velocimetry, LDV)、粒子图像测速 (Particle Imaging Velocimetry, PIV)、平面激光诱导荧光 (Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF) 等先进诊断技术；数值模拟方面则涵盖了RANS方程 (Reynolds Averaged Navier–Stokes)、大涡模拟 (Large-Eddy Simulation, LES) 和直接数值模拟 (DNS) 等方法。文章还特别引入了静-动态流场分解这一新颖的理论分析框架。

图1. 两种涡破碎模式

• 研究结果与讨论

结论一：旋流数阈值与回流区形成

旋流数是表征旋流旋转程度的关键无量纲参数，定义为角动量轴向通量与轴向动量通量之比。文献中广泛报道的旋流数阈值0.6并非普适常数，回流区的实际形成取决于具体几何构型与工况条件。作者指出，目前尚无可用于预测回流区形成的理论判据，并建议通过静-动态流场分解框架来推导新的旋流数表达式。

结论二：涡破碎是旋流火焰稳燃的基础

涡破碎是旋流流动中最重要的流动物理现象之一，当旋转程度达到临界值时，流场中出现驻点并形成中心回流区。涡破碎存在两种主要形态：轴对称模式 (涡泡) 和螺旋模式。轴对称涡破碎诱导的回流区为火焰稳燃提供了低速高温区域，而螺旋模式则可能产生进动涡核 (Precessing Vortex Core, PVC)。进动涡核与回流区可以共存，且两者均可呈现进动运动。

图2. 不同旋流叶片角度下的回流区变化。

(a) 不同工况下的流场；(b) 回流区轮廓与中心位置；(c) 回流区尺寸随叶片角度的变化

结论三：模态转换是驱动火焰动态响应的核心机制

模态转换是指上游声波撞击旋流器时，部分声波能量被转换为对流涡模态的过程。Richards和Yip (1995) 最早观察到这一现象：声波引起的轴向速度变化通过固定几何旋流叶片产生相应的切向速度变化，从而调制下游火焰的热释放率。Palies等人的理论分析表明，声-对流模态转换产生的径向与切向涨落均以轴向对流速度向下游传播，且两者相位相同。这一过程直接导致旋流数振荡，进而调制火焰角度与热释放率。

图3中展示了模态转换、进动涡核、螺旋结构、当量比扰动、熵波、旋流振荡、涡脱落及燃烧室声学等多种机制的相互作用关系。

图3. 旋流稳燃燃烧室中多机制耦合示意图

结论四：火焰稳燃的静-动态平衡理论

作者近期提出的火焰稳燃理论基于火焰面速度收支方程，将瞬时火焰面速度分解为流场速度与火焰位移速度的平衡。通过静-动态流场分解的应用，研究得出以下重要结论：

瞬时火焰面收支中对流占主导地位；

火焰位移速度包含反应项与热扩散项两大分量；

静态稳燃火焰中流场速度与火焰位移速度相互平衡；

火焰速度涨落与流场速度涨落同量级。这一理论为预混旋流火焰的稳燃分析提供了系统的解析框架。

图4. 氢-空气预混旋流火焰稳燃图谱

• 研究总结

本文全面复盘了旋流稳定燃烧领域数十年的研究进展，从非反应流的流体力学基础，到反应流的火焰稳燃机制，再到燃烧不稳定性的耦合规律，构建了完整的知识体系。文章不仅厘清了涡破碎、模式转换、进动涡核等核心物理过程的作用逻辑，还引入静-动态流分解的新型分析框架，为领域研究提供了新的工具视角。

面向未来，文章指出三大核心发展方向：一是开发适配氢燃料的低排放新型喷嘴，突破全预混燃烧的工程落地瓶颈；二是深化模式转换、火焰稳燃的基础理论，形成通用的燃烧室设计准则；三是依托高性能计算与先进诊断技术，提升多尺度燃烧过程的模拟与测量精度。这些方向将为下一代清洁航空燃烧室的研发提供核心支撑。

原文出自Aerospace 期刊：https://www.mdpi.com/2226-4310/12/5/430

• Aerospace 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Konstantinos Kontis, University of Glasgow, UK

期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统 (UAS)、城市空中交通 (UAM)、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。

2025 Impact Factor：2.5

2025 CiteScore：4.8

Time to First Decision：18.5 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace

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