超声速气流中液体横向射流表面波演变及近场流动的影响

Surface wave is a decisive factor on the breakup and atomization of liquid jet in supersonic crossflow. Research on surface wave evolvement in crossflow is obstructed by the intensive interaction between supersonic gas stream and liquid, as its hard to capture the evolvement of gas/liquid interface. And this inturn slow down the investigation on the breakup mechanism of liquid jet. The applicants have developed a pulse laser slice imaging technology which had photoed relatively clear picture of liquid jet surface wave in several nano seconds. So it seems possible to study surface wave evolve details now. The application intend to improve the optical imaging technique to capture clear surface wave picture with high temporal and spatial resolution and extract surface wave characteristics from pictures. By getting the geomatrical characteristic of surface wave and classifying the surface wave, the wave will be observed clearly and well understood. By studying the evolvement rule of wave form, small scale structure movement rule and wavelength/amplitude increase rule, a phenomenological model will be presented. The instability of near-field flow being to be studied to analyze the correlation between osillation of seperation region and wave phenomenon. Parameters will be presented to probe the native source of wave development. The research will deepen the understand on the deformation of liquid phase interface, which lays the foundation of investigating the breakup process of liquid jet in supersonic crossflow.

表面波是液体射流破碎与雾化的决定性因素。由于射流近场气液作用剧烈、界面演变极快，超声速气流中液体横向射流表面波的研究面临很大困难，长期以来进展缓慢，严重影响了射流破碎机理研究的开展。申请者发展了纳秒级脉冲激光片光成像技术，拍摄到较清晰的射流表面波图像，使基于实验观测的表面波深入研究成为可能。本项目拟发展适用于表面波捕捉的高时空分辨率光学拍摄技术和基于图像的表面波特征提取技术，获取射流表面波几何特征，开展表面波分类研究和特征参数定量分析，"看清""看懂"表面波。研究表面波波形演变规律、细观结构运动规律和波长/振幅增长规律，建立描述射流表面波发展过程的唯象模型。研究射流近场流动的非定常特性，揭示分离区/激波振荡特性与射流表面波特征参数之间的量化关系，探究表面波发展的物理根源。项目研究将显著深化人们对射流界面变形过程的理解，对超声速气流中液体射流破碎的机理研究具有重要的学术意义与实用价值。

基于超燃冲压发动机燃烧室内液态碳氢燃料的喷注方式与喷注环境，开展了超声速气流中液体表面波演变及近场流动的研究。首先发展了脉冲激光背景成像技术。利用脉冲激光背景光方法清晰地捕捉到了表面波现象，同时，发现了射流近场存在的液滴剥离和拉丝现象。射流表面波振幅沿纵向不断增长。根据振幅增长速度可分为两个区：增长速度基本为零的准稳定区和振幅迅速增长的快速增长区。.采用实验和仿真研究了近场区域分离区/激波的非定常特性，射流柱前分离区的纵向脉动明显强于流向脉动，喷孔直径、喷注压降是影响近场气液相互作用的主要因素。近场弓形激波与射流边界之间局部超声速气流与液雾相互作用形成二次激波结构。近场二次激波结构的产生和发展具有周期性特征，其周期为毫秒量级。射流柱前分离区的纵向脉动明显强于流向脉动，喷孔直径、喷注压降是影响近场气液相互作用的主要因素。.提出射流边界带代替穿透深度表征射流在纵向的空间分布特征，总结出边界带模型。基于三维PIV成像的方法获得了截面上喷雾的瞬态和时均分布，横截面上的喷雾分布呈“Ω”型。提出了描述截面分布的曲线方程，结合大量试验数据对曲线中的常系数进行拟合，首次用数学方法定量化描述横截面分布，并建立了三维空间分布模型。.针对射流雾化特性开展了研究，采用PDA测量的结果印证了截面液滴分布呈“Ω”型，液雾核心区液滴直径大于喷雾边缘液滴。液滴的纵向速度呈层状分布特征，液滴分别向主流和壁面方向两个方向同时扩散。基于超燃冲压发动机常用的凹腔上游喷注模式开展了研究，发现穿透深度在凹腔上方沿流向的变化规律，并存在最佳喷注距离。此外，还开展了两种促进增强混合的喷注方式的研究：气体伴随射流和脉冲射流。两种喷注方式能够促进穿透深度提高，脉冲射流能够促进液滴雾化。