航空发动机燃油横流直喷雾化三维多参数在线测量方法研究

Liquid jet atomization in cross-flow is widespread in aeroengine afterburner and ramjet. The spray characteristics directly affect the combustion stability, combustion efficiency and pollutant emissions. High efficiency atomization of aeroengine fuel poses a challenge to the 3D multi-parameter on-line measurement of the breakup process and atomization characteristics of fuel direct injection in cross-flow under complex flow conditions. The test techniques widely used are mostly based on single parameter, single point or two-dimensional measurement method, which is unable to meet the test requirements of three-dimensional complex multi-phase flow. The project aims to develop a multi-parameter simultaneous measurement method based on multi-angle interference combined with digital inline holography and One-dimensional rainbow scattering. It devotes to realizing the instantaneous on-line measurement of the 3D position, morphology, 3D velocity of irregular large droplets from primary breakup process and the 3D position, particle size, temperature and 3D velocity of the small droplets from secondary breakup process. And the developed method will be applied to the liquid jet in cross-flow under different test conditions. The research findings are expected to promote the development of a new generation of test method for direct injection atomization of aeroengine fuel in cross-flow, providing experimental basis for future design, optimization and numerical simulation of advanced combustion chambers.

横流中液体射流雾化广泛存在于航空发动机加力燃烧室和冲压发动机，其雾化特性直接影响了燃烧稳定性、燃烧效率、污染物排放等。航空发动机燃油的高效雾化，对复杂流动条件下燃油横流直喷雾化破碎过程和雾化特性的三维多参数在线测量提出挑战。而目前广泛采用的测试技术大多基于单一参数、单点或二维测量方法，难以满足对三维复杂多相流的测试要求。本项目拟结合同轴数字全息技术和一维彩虹散射技术，发展基于多角度干涉的多参数同时在线测量方法，同时实现一次破碎不规则大液滴的三维位置、形貌、三维速度和二次破碎小液滴的三维位置、粒径、温度、三维速度等参数瞬态在线测量，并将该方法应用于不同测试条件下横流直喷破碎雾化测试中。研究成果有望推动航空发动机的横流直喷雾化的新一代测试方法的发展，为未来先进燃烧室的设计、优化和数值模拟的提供实验依据。

横流中液体射流雾化广泛存在于航空发动机加力燃烧室和冲压发动机，其雾化特性直接影响了燃烧稳定性、燃烧效率、污染物排放等，但燃烧室内复杂的流动条件对燃油横流直喷雾化破碎过程和雾化特性的三维多参数在线测量提出挑战。本项目结合数字全息技术和彩虹散射技术，发展基于多角度干涉的多参数测量方法，获得了一系列成果。.在模拟分析方面，基于洛伦兹-米理论建立了球形液滴光散射的任意角度干涉场通用计算模型并在此基础上编写了干涉场条纹模拟程序；发展了基于衍射理论的全息图模拟方法，实现不规则物体的全息图模拟，并用于全息图的动态背景去除。.在测量方法研究方面，通过理论分析和模拟验证的方式确定了全息测量系统的最佳记录距离；提出基于边界梯度方差判据的全息颗粒识别定位算法，优化全息颗粒识别算法的定位精度和计算速度；开发基于全息技术的细条状物体三维结构测量算法，并用于液滴破碎过程中液丝的测量；开发了一种基于全场彩虹技术的液滴折射率便携式测量装置，解决彩虹测量技术的在线应用问题；发展一维彩虹测量技术，得到不同高度处液滴粒径、折射率的变化过程，在此基础上通过分析一维彩虹信号中的主峰信号和ripple信号测量出液滴的表面张力、粘度和纳米级粒径变化。.在应用研究方面，搭建了横流雾化机理试验台和全息测量系统，获得液滴破碎过程中液丝三维结构的动态演变过程，发现在袋状破碎和多模态破碎过程中液丝体积约占原液滴体积的90%；获得袋状破碎过程中液柱表面加速度波波长、破碎点位置以及穿透深度的无量纲经验预测公式，以及雾化近场不规则液滴SMD分布、速度分布随测试条件的变化规律。.在本项目执行过程中，发表了13篇期刊论文，其中SCI论文12篇，授权了3项实用新型专利，1项发明专利，申请了3项实用新型专利，4项发明专利，登记软件著作权5项，培养毕业博士生2人，硕士生1人，在读博士生2人，硕士生2人。