燃油射流碰壁溅射雾化实验及机理研究

Jet wall splashing atomization is simple in structure, of low pressure loss and easy for maintenance. As such, this kind of atomization type has been widely used in different engine combustors. For instance, the aero-engine afterburner nozzle rod injects fuel jet which collide with the splashing plates of the flame stabilizer. The collision and heat exchange can realize the jet crushing and atomization and evaporation of fuel; some hypergolic liquid rocket engine injectors adopt jet wall impingement structure for chamber wall cooling and also for fuel atomization. However, the practical engines have a large numbers of nozzles, and the design of the splash structure (incident angle and height) depends on trial and error. The lack of fundamental research support restricts the development of relevant component design techniques for those engine research institutes. This project will focus on the spray atomization process of a single nozzle unit jet wall. Through microscopic imaging, particle imaging analysis, particle imaging velocity measurement and other means, the experimental and mechanism research of the jet wall collision process under different sputtering structures, cross wind conditions and wall conditions will be conducted. The characteristics of the macroscopic morphology, the development of the oil film on the wall and the secondary droplet distribution of the jet will be investigated, and the flow heat transfer and phase change transport mechanism of the jet collision and oil film fracture process under complex flow and thermal conditions will be interpreted. The distribution model of the secondary droplets will be developed and it is hoped to provide some theoretical guidance for the structural design and combustion organization of the actual engine direct-spray oil atomizing device.

直射式喷嘴射流碰壁飞溅雾化结构简单，流动损失小，可维护性好，广泛用于多种动力装置部件的燃油雾化，例如航空发动机加力燃烧室喷嘴杆通过燃油射流与火焰稳定器的溅油板间撞击及换热实现射流破碎雾化蒸发；部分自燃型液体火箭喷注器通过直射燃油碰壁实现掺混及降低壁面温度等。然而实际发动机喷嘴组数量大，溅油结构（入射角度及高度）的设计依赖试验优选，缺乏精细化的基础研究支撑，制约了各发动机研究所相关部件设计技术的发展。本项目拟面向单个喷嘴单元射流碰壁溅射雾化过程，通过显微成像、粒子成像分析、粒子成像测速等手段，开展不同溅射结构、横风条件及壁面条件下射流碰壁过程实验和机理研究，探明射流碰壁过程宏观形貌、碰壁油膜发展及飞溅二次液滴分布等特性规律，阐明复杂来流及热力条件下射流碰壁、油膜破碎过程的流动传热及相变输运机理，发展飞溅二次液滴的分布模型，为实际发动机直射式溅油雾化装置的结构设计和燃烧组织提供理论指导。

射流碰壁溅射雾化及碰壁液膜常用于多种动力装置：小推力液体火箭喷注器通过燃油碰壁液膜冷却降低壁面温度，由于空间布置位置有限，液膜冷却几乎是唯一可行的冷却方式，不合理的液膜冷却造成燃烧室壁面烧蚀或比冲降低。.本项目面向单个直射喷嘴单元射流碰壁物理过程，通过实验测量、理论分析及数值模拟手段，开展了不同射流碰壁结构及壁面条件下射流碰壁雾化、液滴碰壁、碰壁液膜流动及壁面温度特性研究，发明了基于亮度的激光诱导荧光方法及数据融合的壁面温度高时空重构方法，探明了射流碰壁过程宏观形貌、碰壁油膜发展、液膜厚度分布及飞溅二次液滴分布等特性规律，阐明复杂来流及热力条件下射流碰壁、油膜破碎过程的流动传热及相变输运机理。研究成果为实际发动机直射式溅油雾化及液膜冷却装置的结构设计提供理论指导。.按照计划任务书完成了如下研究内容：（1）射流碰壁宏观形貌及液相轨迹实验及数值模拟研究：阐明了自由射流参数及碰壁因素的影响规律，建立了多参数的碰壁结果区域图并开展射流碰壁数值模拟研究，发展了射流碰壁发生溅射的临界边界条件经验模型。（2）射流碰壁油膜动力学及破碎实验和理论研究：获得了稳态油膜厚度分布规律，建立了能够预测液膜破碎临界条件的理论模型。（3）射流碰壁液膜流动及壁面传热机理研究：建立了不同壁面材质、粗糙度、射流条件下热流密度与壁面温度的经验模型，阐明了油膜破碎过程的流动传热及相变运输机理。（4）射流碰壁溅射雾化的二次液滴统计实验和模型研究：探索了射流及壁面条件对射流碰壁后二次液滴粒径分布及空间分布均匀性的影响规律，建立了射流碰壁的二次液滴的分布函数模型。.执行期内发表标注基金号SCI论文11篇，申请发明专利5项，授权2项，获批国家自然科学基金重点项目1项（2023.1-2027.12），装发基础科研项目群项目1项，军科委JCJQ项目1项。参加国际燃烧大会、亚太燃烧会议、亚洲喷雾与雾化等国际会议10余人次，特邀报告2次，聘为Machines、吉林大学学报等SCI、EI期刊编委6次，参与学会服务工作，受聘燃烧学术年会奖励委员会委员。是爱思维尔2020、2021中国高被引学者。冯择昊、武颖韬、杨猛等3名同学获得博士学位，其中杨猛获得2022“博新计划”、陕西省优秀毕业生等荣誉。获批国家留学基金委创新人才培养项目1项，科技部高端外国专家交流项目1项，吸引巴西联邦ABC大学访问教授1人，产生了较好国际影响