一种带侧向挤出喷嘴的新型支柱式喷注器，用于超音速燃烧室中高效的氢气混合

为什么快速燃料混合对未来飞行至关重要

冲压喷气发动机在超过音速的气流中燃烧燃料，是高超音速飞行的主要候选技术之一。但在这些发动机内部，气流只在几毫秒内穿过燃烧室，留给燃料与空气充分混合并燃烧的时间极其有限。本文探讨了一种将氢燃料注入高速气流的新方法，使其更快、更均匀地混合，这是实现高效且可靠的高速飞行的关键一步。

燃料进入气流的新思路

研究不是通过燃烧室壁上的孔注入燃料，而是关注一枚插入主气流的细长鳍片或支柱，类似一枚小翼。在该支柱后方安置一根短杆以输送氢燃料。当气流经过支柱时，会产生涡旋尾流和低速回流区，这些区域有助于将燃料搅拌进空气。作者重新设计了这根燃料杆，使燃料能沿其长度侧向注入气流，方式为若干个独立的圆孔或一个连续的纵向缝槽。目标是利用支柱自然形成的尾流，同时控制燃料进入气流的方式，以在不过度扰动整体气流的前提下实现更好的混合。

对比三种供油方式的测试

研究团队对三种燃料布局进行了比较，所有布局在相同工况下输送相同总燃料量。在方案1中，氢气通过杆体侧面的三个圆孔进入，每个孔向超音速气流喷出较细的射流。方案2增加了更多、更小的孔，形成更密集的射流阵列。方案3则以沿杆延伸的单一薄缝替代圆孔，将一片燃料片侧向释放到支柱尾流中。研究者借助对气流、压力、温度与氢气浓度的详细计算机模拟，跟踪每种设计如何影响激波、涡旋区域以及下游的燃料扩散。

各设计下流动的表现

模拟结果表明，基于圆孔的设计（方案1与方案2）会产生强烈的局部激波和大的回流区，使流动减速并发生折返。这些区域能强烈搅拌燃料，但也使流动变得不均匀，出现高浓度燃料团块和几乎纯空气的斑块。方案2中增加孔数提高了喷透能力和湍流强度，但也让结构更混乱。相比之下，方案3的缝槽设计产生了一片更平滑的氢气薄片，紧贴尾流并更均匀地展开。激波更弱，温度变化更平缓，喷注器下游的流动更快恢复到超音速状态，表明对整体发动机气流的扰动更温和。

衡量混合质量与能量代价

为了超越视觉判断，作者量化了燃料与空气在下游流动中的混合程度、涡旋运动的保持强度以及流动因激波与湍流而损失的压能。他们发现，缝槽设计能在更远的下游维持有序的涡旋并实现最高的混合效率，意味着在给定距离内，更多氢气达到接近理想的与空气的比例。尽管方案2的多孔设计在局部搅拌上更强，但其相干涡结构衰减更快，燃料分布也更斑驳。缝槽喷注器确实带来略高的总体压损，反映出其与主流连续的相互作用，但这一代价仍在高效燃烧室可接受的范围内。

对高超音速发动机的意义

对非专业读者来说，核心结论是：通过精心设计燃料进入高速气流的方式，可以显著影响燃料扩散的速度与均匀性。位于支柱后方的沿长轴连续侧向缝槽比若干独立喷嘴能产生更平滑、更均匀的氢—空气混合，同时空气动力学代价保持在适度范围内。从工程角度看，该设计有助于冲压喷气发动机在极短的时间窗内更完全地燃烧氢气，从而提升推力和可靠性。这项工作为未来高超音速燃烧室提供了明确的设计方向：利用已扰动流场的结构——支柱，并将其与分布式缝槽喷注器结合，在关键位置实现更佳的混合效果。

引用: Lajimi, R.H., Alrasheedi, N.H., Ghodratallah, P. et al. A novel strut injector with lateral extruded nozzle for efficient hydrogen mixing in supersonic combustors. Sci Rep 16, 12629 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41674-1

关键词: 冲压喷气发动机, 氢燃料, 超音速燃烧, 燃料—空气混合, 航空航天推进