超声速来流液体横向射流雾化机理研究

超声速气流中液体射流破碎过程是超燃冲压发动机中燃料雾化燃烧的关键，本项目拟采用先进的测量设备与高精度的数值模拟紧密结合的方法，研究超燃冲压发动机燃烧室内燃料雾化的机理问题。通过综合运用先进光学观测手段（包括PDPA、高速摄影/激光纹影、NPLS等）以及Level set+VOF运动界面追踪方法与大涡模拟相结合的数值手段，对超声速气流中液体横向射流以及液滴破碎过程进行研究，获得雾化区域的流场波系、速度分布、湍流大尺度结构等的清晰图像及动态变化过程，精细再现其破碎结构与破碎过程，考察激波、周围涡流、内部湍流脉动以及液体特性对破碎过程的影响，力图明晰液体燃料射流破碎与液滴破碎过程的机理，加深对超燃冲压发动机燃烧室内燃料雾化过程的认识，并提出超声速气流中液滴破碎的模型。

本课题以超燃冲压发动机燃烧室内的流动过程为主要研究对象，采用数值仿真，实验与理论分析为辅的方法，对超声速来流中液体横向射流的雾化过程进行了机理及应用研究。已按计划完成研究内容。. 对超声速来流中的液体射流过程进行了分析与数学建模，采用LES结合CLSVOF的界面捕获方法，编写了可压缩两相流运动界面计算程序，并研究两相界面的GHOST匹配方法。通过对国际经典算例的测试，验证了本课题所建模型及所用方法的可靠性。. 然后利用所建的模型并结合高速阴影、PDA、PIV等试验方法对超声速中液体射流、雾化和蒸发过程进行了仿真和试验研究。在微观机理研究方面，获得雾化区域的流场波系、速度分布、湍流大尺度结构等的清晰图像及动态变化过程，精细再现其破碎结构与破碎过程，考察激波、周围涡流、内部湍流脉动以及液体特性对破碎过程的影响，明晰液体燃料射流破碎与液滴破碎过程的机理，并验证了超声速气流中液滴破碎的模型。在宏观工程应用方面，探讨了整个液体射流、雾化过程的影响因素，总结了这些因素对燃料穿透深度、横向扩展范围、总压损失及雾化特性等物理量的影响规律。