高压超临界环境下的燃油射流雾化/分解机理研究

Study of atomization/disintegration mechanisms of fuel jet in high pressure supercritical environment will be performed by using theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement. Firstly, based on a instability theory of a liquid jet, considering the thermodynamic properties of multicomponent fuel and real gas effects, the dispersion relations for surface waves on a fuel jet in high pressure supercritical environment will be derived.The effects of thermodynamic and transport properties on the instability characteristics of surface waves on the fuel jet will be analyzed. A mathematical model for atomization/disintegration of fuel jet in high pressure supercritical environment will be established. By use of a two-phase flow large eddy simulation methodology, the gas-liquid flow field will be solved numerically. Then, the structure and evolution of gas-liquid flow field will be discussed in details. The effects of unequilibrium of heat and mass transfer under high reduced pressure Pr on the structure of gas-liquid flow will be analyzed. Mathematical model for high pressure gas-liquid solubility and mixing rule for multicomponent flow will be proposed. Then, the effects of high pressure gas-liquid solubility on stabilities of liquid jet under high reduced pressure will be discussed. Finally, high speed camera and Schlieren and shadowgraph techniques will be employed to get atomization/disintegration processes of fuel jet in high pressure supercritical environment. The study of atomization/disintegration mechanisms of fuel jet in high pressure supercritical environment will be of help to improve our understanding of atomization of liquid fuel, provide a theoretical basis for the development of advanced thermal power devices.

应用理论分析、数值模拟和实验方法，针对高压超临界环境下的燃油雾化/分解机理展开系统深入研究。首先基于表面波理论，考虑多组分燃油热物性、环境实际气体效应，建立射流在高压超临界环境下的表面波色散方程。分析环境介质热物性、输运属性对表面波失稳的影响。建立高压超临界环境下的射流雾化/分解数学模型，借助气液两相流LES方法，求解气液流场结构。然后分析气液结构及演变规律和高对比压力条件下传热传质非平衡效应对气液结构的影响。建立高压超临界气液溶解度模型及多组分混合物模型，分析高对比压力下气体溶解效应及其对稳定性的影响。最后借助高速摄影和纹影等测量手段，进行高压超临界环境下燃油雾化/分解过程的实验研究。开展高压超临界环境下燃油雾化/分解机理的研究将有助于加深对液体燃油雾化机理的理解和认识，为先进热能动力装置的研究开发提供理论基础。

本项目对高压超临界环境下的燃油射流雾化/分解机理开展了研究。研究工作按研究计划要点执行，完成了全部研究内容。开展了高压超临界环境下燃油射流喷雾液核区的表面波失稳机制研究，构建了高压超临界环境下的实际流体状态方程扩散输运数学模型，基于射流表面波失稳理论构建了射流在高压超临界环境下的表面波色散方程，明确了近临界流体气液界面的扩散效应、环境介质热物性以及射流出射速度等对表面波失稳的影响。研究表明，随着射流速度增加，换热时间缩短，射流表面张力增大；随着环境温度的提高，射流表面张力减小导致的界面失稳直接影响到射流的破碎过程。研究了高压超临界环境下的燃油射流气液结构及其演变规律，构建了高对比压力下气液质量扩散和热扩散模型和高压超临界环境下射流雾化/分解气液两相流数学模型，利用LES方法对该模型进行了求解，探明了燃油喷雾在不同对比温度压力下的气液结构及其演变规律，获得了气液混合区的温度梯度变化规律。开展了高对比压力下传热传质非平衡效应对燃油射流气液结构的影响研究，明确了环境对比压力对液体射流瞬态温度、温度梯度及瞬态蒸发率的影响规律，阐明了高压超临界环境下有效Lewis数的影响因素，揭示了环境对比压力对燃油蒸发率和扩散弛豫时间的影响规律。构建了高压超临界气液溶解度模型及多组分混合物混合模型，探明了高对比压力环境对射流气体溶解度的影响和气体溶解效应对射流气液边界层组分浓度和温度梯度的影响机制。将实际溶液相平衡融合到燃油射流雾化LES模型中，开展了气体溶解效应对燃油射流雾化稳定性的影响研究。搭建了超临界环境下燃油喷雾试验台，探明了超临界温度和压力对高压燃油雾化特性的影响，揭示出从亚临界到超临界的过程中环境压力温度对燃油喷射效果的影响机制，并明确了临界点对雾化效果的影响。培养了5名博士研究生和5名硕士研究生。在国内外学术期刊和国际/国内学术会议上发表了15篇论文，其中SCI检索论文5篇，EI检索论文1篇。