超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

扩张型面内超声速气流中液体横向射流穿透深度试验研究

面向未来冲压旋转爆震发动机应用,本文设计了带隔离段及等直燃烧室的矩形带扩张型面,开展常温常压吸气式超声速风洞中的液体横向射流试验,借助高速摄影、阴影方法研究来流参数、喷孔参数对喷注雾化穿透深度及液雾扩展效果的影响。研究表明：隔离段到燃烧室的过渡构型在气相流场中产生了较强的膨胀波和压缩波,直接扰动射流的二次雾化,液体射流破碎、雾化和液雾掺混的过程受到影响。总温总压一定时,来流马赫数增大、喷注压降增大均可提高液气动量通量比,从而增大射流穿透深度。同样的穿透深度情况下,利用小喷孔高压降喷注方式可以较为明显地减小激波角度。与增大孔径相比,同样的流量条件下增大射流压降可有效增加穿透深度提升程度,获得更好的液雾掺混效果。     

超声速气流中液体燃料雾化数值模拟

为了模拟超声速气流中液体射流的雾化,发展了一种液滴破碎混合模型。该模型将Kelvin-Helmhotz(K-H)模型和Rayleigh-Taylor(R-T)波动模型耦合在一起,首先计算R-T波增长模型,当R-T模型不能导致液滴破碎时,然后计算K-H波增长模型。利用该模型对来流Ma=1.94的超声速气流中的水射流的雾化进行了数值模拟。模拟结果再现了超声速气流中射流的雾化结构,计算得到的射流穿透深度、颗粒直径分布和速度分布与实验结果吻合较好。     

基于双流体模型的超声速两相横向喷射流场研究

对两相超声速横向喷射试验进行了数值模拟.采用双流体两相流模型,在不同直径液滴和不同动压比条件下分别对两相超声速横向喷射流场进行了计算.结果表明:雾化液滴直径和喷射动压比对液体的横向穿透深度影响很大;雾化液滴直径的大小或者动压比的大小对喷口下游流场的影响区域是不同的.数值模拟结果与试验结果符合良好,为进一步的研究打下良好基础.      

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象

采用高速摄像仪对横向气流场中的圆形液体射流的圆柱破碎过程(低Weber数)进行了实验研究.实验采用直射式喷嘴,喷孔直径为0.3mm和0.5mm,喷嘴长径比均为40.实验工质采用水.Weber数为1.7~7,液/气动量通量比为3.4~83.实验观察了表面波现象及射流破碎形成的液滴的尺寸及其速度.观测发现,表面波波长随着气流Weber数的对数的增加而线性减小.破碎后形成的液滴直径 d_p/d₀与Weber数的对数成正比.液滴的初始x方向速度与y方向速度大小与液滴直径无关.在实验范围内,液滴y方向速度均不随Weber数和液/气动量通量比的变化,约为初始射流速度的0.94倍;而液滴x方向速度约为0.085倍的气流速度.对表面波和破碎后形成的液滴尺寸及速度的研究有助于构建更精确的初始雾化模型.      

基于PLIF/Mie图像测量煤油超雾化场数值特性

为获得航空煤油在超声速气流中喷射雾化后粒径二维分布信息,设计了基于PLIF/Mie双光谱成像法的测量系统。在PLIF/Mie煤油超雾化粒径测量方法基础上,实现了SMD计算公式系数的标定和煤油超声速射流破碎和雾化的SMD二维在线测量,取得射流雾化场SMD径向分布、穿透深度、展向输运宽度等关键参数。结果表明:射流分两个阶段,前期突变阶段和稳定阶段,在初始射流压强为1.0MPa,来流初始压强为0.5MPa,喷孔直径1mm,喷射角度为90°的工况下,稳定阶段煤油喷雾SMD稳定在10μm左右,射流径向SMD由内向外由小变大,整体展向宽度范围比穿透深度稍大,在各截面位置变化趋势一致。     

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

横向气流中的液体圆形射流破碎实验

采用了高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流破碎过程进行了研究.实验中使用的喷嘴喷孔直径为0.3 mm,研究液体工质采用水,液气两相动量通量比的范围为10.2～80.结果表明,射流表面初始波动是蛇形波动,在气动力作用下逐渐发展成螺旋状表面波,最终增长到一定程度使得液体断开.随着气流速度的增加,气动力在射流破碎过程中将取代表面张力而占据主导地位,而且螺旋状表面波幅值会随气流速度增加而增加.射流运动轨迹脉动幅度随气流速度增加而增强,随射流速度增加而减弱.同时给出了射流破碎位置坐标与液气两相动量通量比之间的关系式,以及射流液柱在破碎点之前类似抛物线的轨迹曲线公式.      

超声速气流中液体横向射流雾化破碎模型改进

为研究超声速气流中液体横向射流的雾化过程,根据可压缩条件下线性稳定性分析解推导出的不稳定增长率和波数间的色散关系,对KH/RT模型进行了改进,并调整了离散相液滴的追踪算法,利用改进的KH/RT模型对1.94Ma气流条件下水横向射流过程进行模拟。研究表明,数值模拟中液滴的实际追踪数对计算结果有较大影响,而改进的液滴追踪算法有效增加了液滴数,提高了计算准确性;改进的KH/RT模型扩大了Weber数的适用上限至4000,可用于超声速流场;利用改进的KH/RT破碎模型得到的液雾穿透深度与试验测量结果基本一致,而液雾展向和近壁区的分布与试验有一定差异。     

横流作用下气液两相环状流射流液膜的雾化特性实验研究

为了更好地认识横向气流对气液两相环状流射流雾化过程的影响,本文采用高速摄像等技术,针对气液两相环状流射流液膜在横向气流中的破碎与雾化特性开展了实验研究。研究发现,气液两相环状流射流在横流作用下能够实现稳定的雾化,射流液膜的破碎与雾化具有周期性和不连续性特征;查清了雾化过程中射流液膜存在三种不同的破碎模式：爆式破碎、分段式破碎和环膜破碎,并对每种破碎模式下的液膜破碎特征进行了研究;结合实验结果统计分析,获得了射流液膜不同破碎模式的动力学条件和变化规律;同时对环状流射流液膜不同破碎阶段的雾化液滴的粒径分布进行了统计分析,发现三种破碎模式下,液膜的爆式破碎产生的雾化液滴粒径更小,雾化效果较好,同时提高环状流表观气速和横流速度也能够促进射流液膜的雾化。     

Review of atomization mechanism and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow

The injection and atomization process of a liquid fuel jet is critical for an ignition start of a scramjet engine. Airwall-mounted crossflow injection strategy is widely used in scramjet combustors, avoiding high total pressure loss and allowing the liquid fuel to rapidly undergo atomization, mixing, and evaporation. In this review, research progress on a liquid jet in supersonic crossflow was evaluated from aspects of atomization mechanism and spray characteristics. When a liquid jet is injected into a supersonic crossflow, primary and secondary breakups occur successively. The surface instability of liquid can significantly affect the breakup process. This review discusses the current understanding of the breakup process and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow including the mechanism of atomization and the characteristics of distribution and atomization. The development of windward Rayleigh-Taylor (R-T) unstable waves is the main factor in column breakup. The development of Kelvin-Helmholtz (K-H) unstable waves along the circumferential direction of the jet or droplets is the main factor of surface and droplet breakups. The liquid–gas momentum ratio is the most important factor affecting the penetration depth. The span width of the liquid jet is affected by the windward area. Breakup and coalescence lead to a transformation of the size distribution of droplets from S- or C-shaped to I-shaped, and the velocity distribution of the droplets on the central symmetry plane has a mirrored S-shape. The droplet distribution on the spanwise cross-section retains a structure similar to an “Ω” shape. At last, some promising recommendations have been proposed, namely a theoretical predictive model which can describe the breakup mechanism of a liquid jet, the distribution characteristics and droplets size distribution of a liquid jet under a cavity combustion chamber, especially for enthalpy flows with complex wave structures.     

非均匀速度来流条件下液体射流喷雾特性

实验研究了非均匀速度来流条件下液体横向射流喷雾特性.实验利用多孔板实现速度的不均匀,应用片光照相得到喷雾中心截面照片,使用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量液滴的直径和速度.实验结果表明:在非均匀速度来流中,射流的弯曲和破碎机理有所不同,导致穿透深度和雾化特性发生改变.与均匀速度来流相比,正速度梯度来流时射流穿透深度...     

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

非牛顿流体射流雾化特性研究进展

本文总结了有关非牛顿流体射流雾化特性的研究进展。首先,阐述了预测非牛顿液体射流初次雾化失稳特性的理论方法,介绍了有关非牛顿流体射流初次雾化的实验现象和特性参数。当射流初次雾化的过程结束后,破碎产生的液滴会在高速气流中发生二次雾化。随后,总结了国内外有关非牛顿流体液滴二次雾化实验研究的相关进展。分析了液滴二次雾化的实验现象,总结了不同种类液滴二次雾化过程中所研究特性参数,如破碎模态、临界韦伯数和初始变形时间等随来流气体参数之间的关系,并介绍了基于液滴二次雾化物理过程所建立的预测喷雾场液滴平均粒径的雾化模型。最后,基于目前的研究现状,给出了非牛顿液体射流初次雾化和二次雾化实验研究的后续重点研究方向及建议。     

直射式喷嘴喷雾特性的实验研究

用二维激光测速测粒仪,对直射式喷嘴在横向气流中所形成喷雾的粒度、平均和脉动速度,以及浓度进行了测量。研究了喷雾的结构,气流速度以及喷射方向对喷雾特性的影响,不同直径的粒子在横向的扩散。为两相流模型的研究以及数值计算结果的验证提供实验数据。