液體射流在超聲速氣流中霧化機理的大渦模擬研究

《液體射流在超聲速氣流中霧化機理的大渦模擬研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由肖鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液體射流在超聲速氣流中霧化機理的大渦模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：肖鋒
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

在超燃衝壓發動機中，液體燃料的霧化過程決定著燃料與空氣的混合效果,對發動機的燃燒性能有著重要影響。本項目旨在通過發展一種可壓兩相流大渦模擬算法,數值研究液體射流在超聲速橫向氣流中的霧化機理。在兩相流數值算法中，利用界面跟蹤方法直接求解氣液界面的變形和破碎；採用虛擬流體法和流體速度外推法處理界面兩側壓強、密度和粘性的不連續性；重點發展驗證適用於兩相流大渦模擬的亞格子渦粘性模型和亞格子表面張力模型。本項目通過開展超聲速氣流中液滴破碎的試驗測量，並與數值仿真結果進行比較，以驗證和改進所發展的兩相流大渦模擬算法。最後對液體射流在超聲速橫向氣流中的霧化過程開展數值仿真，分析R-T不穩定、K-H不穩定、P-R不穩定等多種不穩定機理在液體射流霧化過程中的作用，並研究湍流和激波對霧化的影響規律，建立超聲速橫向氣流中液體射流霧化的數學模型，為超燃衝壓發動機噴注系統的最佳化設計提供理論基礎和數據支持。

結題摘要

在採用液體碳氫燃料的超燃衝壓發動機中，超聲速氣流中液體燃料的霧化過程決定著燃料與空氣的混合效果，進而影響發動機的點火啟動、燃燒穩定性和燃燒效率，對超燃衝壓發動機性能有著重要影響。本項目發展了一種基於界面跟蹤方法的兩相流大渦模擬算法,數值仿真液體射流在超聲速橫向氣流中的霧化過程。本項目根據超燃衝壓發動機燃燒室內流動特點，採用可壓流求解器求解超聲速氣流，採用不可壓流求解器求解液相，並發展了氣相求解器和液相求解器在界面處的正確耦合求解方法，實現了超聲速霧化的高精度高穩定性兩相流求解算法。本項目通過高速攝影試驗觀測了超聲速氣流中液滴的破碎過程，並通過大渦模擬仿真了超聲速氣流中液滴的變形破碎，通過對比仿真結果和試驗結果，驗證了所發展的兩相流求解器。由於超聲速氣流的可壓縮性，超聲速氣流中的液滴破碎與亞聲速氣流中的液滴破碎存在著明顯的區別。研究表明超聲速氣流中液滴破碎臨界韋伯數大於亞聲速氣流中的液滴破碎臨界韋伯數，且超聲速氣流中液滴變形成液盤所需時間長於亞聲速氣流中液滴變形成液盤所需時間。本項目開展了超聲速橫向氣流中液體射流霧化的大渦模擬，數值再現了液體射流的表面破碎和液柱破碎過程，捕捉到了液柱迎風面表面波產生和發展過程。通過對比表面波波長和Rayleigh-Taylor不穩定波長，證明了Rayleigh-Taylor不穩定導致了表面波的產生。本項目通過數值仿真研究了激波對在超聲速橫向氣流中液體射流霧化的影響，提出了相應的數學模型。本項目通過數值仿真揭示了超聲速氣流中液體射流的霧化機理和霧化規律，對超燃衝壓發動機燃料噴注方案的最佳化設計有重要的指導作用。