圆形喷孔是一种常见的壁面喷注形式，当射流经过该喷孔垂直进入超声速主流时，射流前缘将形成一道较强的脱体激波，对主流的扰动及其阻塞作用均较强，由此会产生一定程度的总压损失。

文献^[3]研究结果表明：对于圆形喷孔，射流穿透深度随动压比的增加而增加，当动压比从1.55提升到6.48时，距喷孔下游90 mm处的穿透深度仅从4.9 mm增加到6.2 mm。仅仅依靠提高动压比来增大圆形喷孔的穿透深度，效果非常有限，但由此诱导出的高强度弓形激波将引起更大的总压损失，反而得不偿失。鉴于此，很多研究者拟通过喷孔结构设计，改变喷孔周围的局部流动和激波结构来提升穿透深度。

文献^[4]采用氢气作为喷注介质，对比研究了圆形喷孔和菱形喷孔在超声速气流中气动特性、穿透深度等差异性。结果表明：1）距离喷孔下游40 mm截面上，2种结构产生的射流在超声速主流中的氢气分布都呈现出类似于半椭圆的形状，不同的是采用菱形孔时，射流前的激波强度减弱，总压损失降低，使得氢气沿着高度方向扩散更明显，在短时间内能够扩散到燃烧室中部以上；2）在距离喷孔下游140 mm的截面上，两者对应的氢气分布呈现出较大差异，其中，菱形孔对应氢气分布呈现出较完整的椭圆结构，氢气质量分数核心区已上升到燃烧室高度3/4处，圆孔喷射对应氢气分布呈现出上窄下宽的“瓜子"形结构，氢气质量分数核心区仅上升到燃烧室高度1/2处。

文献^[5]和文献^[6]中提出了一种“楔形－半圆”构型的壁面喷孔，如图2所示。研究中采用氦气模拟燃料介质，在相同主流条件下（Ma=3），对比研究了该构型与圆形喷孔（d=3.45 mm）在超声速气流中喷注特性的差异。

图2 楔形－半圆壁面喷孔示意图
Fig.2 Schematic diagram of wedge-semicircle shaped injecting orifice

结果表明：1）与圆形孔相比，“楔形－半圆”喷孔能降低喷孔前缘边界层的分离，该结论在文献^[7]中也得到了验证；2）“楔形－半圆”喷孔在超声速气流中对应的穿透深度较大，射流在向下游发展过程中，穿透深度增长速率也较快；3）相比于圆形喷孔，“楔形－半圆”喷孔产生的射流在向下游发展过程中，对应的射流横截面积增长率较大，有利于改善燃料与主流的掺混性能。

文献^[7]提出了如图3所示的箭形喷孔，将该结构应用于燃料喷注时，喷孔后部易形成一个较大的低压区，进而诱导出强回流区，有利于火焰稳定。

图3 箭形壁面喷孔示意图
Fig.3 Schematic diagram of arrowhead shaped injecting orifice

图4给出了喷孔下游某截面对应的喷注介质摩尔分数分布曲线，可以看出：相比于圆形喷孔，箭形孔穿透距离较远，两者的最大摩尔分数值相当，即羽流扩散程度相差较小。

图4 喷注介质摩尔分数分布对比曲线
Fig.4 Mole fraction distribution of injectant for circular and arrowhead shaped orifice

从1.1~1.4节的论述中可以看出，与前部钝缘结构的圆形喷孔相比，不管是菱形、楔形-半圆还是箭形喷孔，这类前部为锐缘构型的喷孔有利于提升射流穿透深度。分析机理认为：前部锐缘型喷孔产生的射流在超声速主流中，前端形成的是附体激波，在射流面积相同的前提下，附体激波后气流压升低，阻力小，进而对应的射流穿透深度较大。

在优选前端锐缘构型的喷孔后，文献^[7]进一步研究了不同锐缘角度对射流穿透深度的影响。结果表明：前缘角度越小，对主流的扰动越小，穿透深度越大。在此研究基础上，保证穿透深度的前提下，为进一步降低射流对主流的扰动，K.Hirano等人提出了如图5所示的针形喷孔结构。

在相同喷孔面积和喷注流量下，与圆形喷孔相比，针形孔展示出更好的穿透性能和混合性能，尤其在靠近喷注面区域内，穿透深度增长速率非常快。文献^[8]对针形孔在超声速燃烧室中的燃烧性能也进行了深入研究，结果表明：与圆形喷孔相比，针形孔对应的燃料空气掺混性能好，燃烧室燃烧效率高。此外，针形孔出口射流对主流扰动小，有效阻止了喷孔周边的边界层分离，使得燃料燃烧过程中没有在喷孔周边产生较强的过热痕迹，如图6所示。

图5 针形壁面喷孔示意图
Fig.5 Schematic diagram of stinger-shaped orifice

图6 喷孔周边的热痕对比图
Fig.6 Heat marks around two orifices

基于单个圆形喷孔射流喷注特性研究，文献^[9]对比了单股射流和多股射流喷注在穿透深度方面的差异性。结果表明：Ma=2.72来流条件下，相同截面上多股射流比单股射流的穿透深度提升了20%左右。在多股圆形喷孔射流的发展理念基础上，提出了不同类型的组合型喷孔，其中，美国Aerojet公司研究设计的叶栅式喷注器具有很大优势，其喷孔构型如图7所示，沿来流方向布置一组长度不变、宽度逐渐增加的矩形喷孔，由此形成一定角度的楔形面结构^[10]。该喷孔利用分级喷注的原理，改变激波结构，每级射流穿透深度呈阶梯式、逐级增大的发展趋势（图8），喷注压力提高，穿透深度增幅明显（图9）[11~13]。

图7 叶栅式喷注器壁面喷孔示意图
Fig.7 Schematic diagram of wall surface orifice for cascade injector

图8 喷注器雾场瞬态侧视图（共14股射流）
Fig.8 Instantaneous side-view image of injector

图9 喷注压力对穿透深度的影响
Fig.9 Effect of injection pressure on penetration depth