超声速气流中连续液柱建模及喷雾特性预测应用

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本文以超燃冲压发动机中的液体横向射流为研究对象,采用理论、试验与仿真相结合的方法,建立了超声速气流中的连续液柱CLC(Continuous Liquid Column)实体模型,提出了可快速预测超声速气流中液体横向射流喷雾特性的实体-粒子耦合数值计算方法。首先,对超声速气流中液体射流一次破碎进行了研究。分析了椭圆孔喷嘴长短轴之比对液体射流破碎机理、空间分布和气相流场特征的影响。结果表明:喷嘴长短轴之比影响了射流附近K-H不稳定性、R-T不稳定性的竞争关系,并导致射流破碎机理存在明显差异。液柱迎风面面积是影响射流空间分布和气流场特征的重要因素。其次,对近喷嘴区域连续液柱结构进行了研究。推导了连续液柱横截面形变方程与液体微元运动学方程,建立了可定量描述连续液柱时均形态的CLC实体模型。开展了连续液柱显微成像实验,讨论了喷注压降、喷嘴几何参数对连续液柱结构的影响。结果表明:实体模型可以较好的预测连续液柱空间结构和射流轨迹。液柱光滑段长度、射流轨迹和喷注压降、喷嘴直径呈正相关,而喷嘴长径比、流道收缩角对连续液柱结构影响较小。最后,对超声速气流中液体射流喷雾特性进行了研究。结合CLC实体模型和离散相模型,开展了实体-粒子耦合数值计算,分析了喷嘴直径对射流空间分布和雾化特性的影响,评估了实体-粒子耦合数值计算的准确性。结果表明:计算较好的还原了近喷嘴区域气液流动状态。喷雾下游横截面液滴呈现“上宽下窄”的分布特征。从整体趋势上看,计算获取的液滴SMD分布、流向速度分布与实验结果吻合较好。
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