超声速气流中液体横向射流喷雾结构及速度场研究

摘要

本文针对超声速气流中液体横向射流喷雾场中心对称面的液雾分布特性进行试验研究。试验来流马赫数为2.1,水通过直径0.5mm圆孔垂直于来流方向喷入气流中。试验基于PIV系统捕捉液体射流在超声速气流中的流动结构,获得清晰的流动结构图像;基于流动结构图像,利用互相关算法计算获得喷雾速度场,同时提取射流穿透深度曲线,与采用阴影方法和PDA方法获得的射流穿透深度进行比较研究。研究指出,射流在喷孔出口位置存在表面波,射流本身湍流度及射流前回流区的不稳定特性使表面波沿射流方向不断增长,射流柱迎风面强烈的气液动量交换使表面波加速断裂;射流在向下游发展的过程中,气液交界面在剪切作用下形成大量K-H涡结构,由于液滴不具有足够的动能穿过剪切层,涡脱落进入主流的现象几乎没有发生, K-H涡在很长一段距离内(x/d＞50,d为喷孔直径)主导着液雾与超声速气体之间的混合过程,不断加速靠近下壁面的液体;射流在进入超声速气流的初始阶段,经历了强烈的动量交换过程,大量液体在瞬间(x/d＜10)被加速到主流速度50％左右,短距离内(10＜x/d＜20)被加速到主流速度80％,在K-H涡主导的混合过程中(x/d＞50),动量交换进行相对缓慢。