介观超高压射流的界面流动及失稳机理研究

射流稳定性及破碎机制是超高压射流中的关键问题。本项目以100MPa至400MPa压力等级的微细射流为研究对象，运用先进流场测量和流动显示技术探索超高压自由射流演变过程涉及的流动现象和流动规律。以研究射流界面流动及界面不稳定特征结构为核心内容，分析界面湍流对射流的剪切扰动机制及射流界面相应的演变规律，从液滴动力学行为的角度探究射流初始破碎的形式，探索介观小尺度效应对射流稳定性的潜在影响。试图揭示射流失稳破碎的深层机理，建立描述界面特征结构演变的数学模型；定义描述射流不稳定形式的特征数，初步形成射流失稳破碎的模式理论。项目研究成果将对超高压射流流动特性形成认识上的突破，完善射流稳定性理论体系，为实现此类射流的流动控制奠定基础；同时也为克服高速射流加工的固有缺陷萌生新的思路。

运用先进流场测量和流动显示技术探索了超高压自由射流演变过程涉及的流动现象和流动规律。以研究射流界面流动及界面不稳定特征结构为核心内容，分析了界面湍流对射流的剪切扰动机制及射流界面相应的演变规律，发现射流沿流向破碎大致可分为四个阶段：表面波动产生与发展阶段；液滴开始剥离且射流直径显著减小阶段；射流开始断裂阶段；独立液块形成阶段。从液滴动力学行为的角度探究射流初始破碎的形式，探索介观小尺度效应对射流稳定性的潜在影响, 发现液滴二次破碎发生的临界值为毛细数大于0.005。研究结果还显示射流初始不稳定依赖于喷嘴出口处边界层内涡的尺度及位置，初始不稳定扰动波长为边界层厚度的2到4倍。研究成果充实了对高速射流流动特性形成的认识，完善了射流稳定性理论体系，为实现此类射流的流动控制奠定基础。