基于四维时空测量的对冲射流界面稳定性和破碎机理及控制的实验研究

射流特性的研究已持续百年，其射流破碎机理一直是流体力学的前沿课题之一。随着新能源、新技术的发展，对冲射流已广泛用于燃烧过程中的清洗、冷却、混合和雾化等方面，但因其复杂的破碎方式和界面运动变化，目前对射流破碎机理仍未完全搞清楚。本项目拟通过流动稳定性分析、三维瞬态层析测量和界面立体重构等实验技术相结合的方法，进行圆、方、膜型等不同形式的对冲射流破碎动力学分析和破碎机理及控制机制的研究，探讨对冲射流破碎的不稳定性理论，研究对冲射流相界面的时、空演化规律，获得对冲射流几何、动力学与环境、物性等参数对射流破碎过程及破碎长度、粒径大小与分布等特征参数的影响。在此基础上，开展压电、电磁激励等扰动方式对射流场进行扰动控制的研究，探索扰动幅值、频率等对破碎界面、液滴粒径、尺寸分布等的影响规律和参数优化策略，获取最优控制方案，以达到控制对冲射流破碎运动演化过程，获得预期对冲射流破碎界面，提高混合效果的目的。

根据线性不稳定性理论，获得了幂律流体圆柱射流和平面液膜射流不稳定性的色散方程，运用时间模式对色散方程进行求解，全面分析了各无量纲参数和射流条件对射流不稳定性的影响规律，揭示了射流破碎的机理，建立了圆柱和平面液膜射流破碎预测模型，对于幂律流体射流破碎的实际工程应用具有重要的意义。设计制备了适于对冲射流测量的实验系统，采用高速摄影系统捕获运动界面和射流破碎特征，同步三维流场测量系统得到对冲射流场的空间速度和粒径分布场，发现了封闭边界模式，开边界模式，无边界模式，弓形液线模式和充分发展模式等五种破碎模式。研究了两束由于动量、喷嘴形状、射流液体等不一致导致的非对称射流撞击液膜运动过程、振荡情况以及破碎规律。发现了特有的鱼骨破碎模式和破碎长度双峰现象，给出了各破碎模式对应的韦伯数和表观雷诺数范围，具有更加普适的意义。研究了不同实验参数(撞击夹角、喷嘴形状、射流液体)下牛顿流体(水、甘油)、非牛顿流体(卡波姆液体)射流撞击液膜的振荡规律、速度和粒径分布规律。喷嘴形状对液膜的破碎情况有明显影响。膜型对冲射流由于存在换轴现象，扰动波更强烈，导致破碎粒径更小、破碎效果更好。对于牛顿流体，液膜高度、宽度随着We的增大先大再小，夹角越小和黏度越大，高宽比越大。在225<We<400，液膜最不稳定，易进入反对称模式，随着撞击夹角增大，振幅变大。当We>400，撞击夹角为70°和90°时，液膜较稳定，下游产生液滴和液线，射流夹角110°时，液膜振荡加剧，振幅达到喷嘴直径4倍，液膜振动频率最高达200Hz。利用电磁激励等扰动方式对射流场进行扰动控制，推导并获得了最佳扰动增长率和最佳扰动频率，主液滴和卫星液滴在聚合后形成的大液滴存在自振荡现象，振荡的周期为4ms。破碎长度随扰动频率先小后大，在某频率下破碎长度达到最小，证明了该频率与射流最佳扰动频率相等。提出了即短、中和长扰动波三种扰动破碎模式，以及产生均匀液滴的频率上下限；均匀液滴粒径随着扰动频率增大而减小。喷嘴内径越小，液体黏性越高，产生均匀液滴的频域和流速范围越大；振幅对产生均匀液滴的频率影响不大。利用实验和数值模拟对单液滴撞击固壁运动过程和流场进行研究，提出并验证了一种新的分段式动态接触角(SDCA)模型。撞击过程中液滴内涡旋结构不断产生、发展、消散，铺展速度局部最大值出现在气液界面处。基于米氏散射理论，建立了多液滴消减热辐射的理论模型。