编辑推荐：
液氧/氢气共轴喷注器在高压背压下流动与破碎机理研究。数值模拟显示，凹槽区液氧射流因端面触发与坑侧流相互激发机制，实现41.52%质量损失率和70.50%流面积缩减，形成两种主导破碎模式：射流内峰顶脱离（纤维状破碎）和外部凹槽消失后的纵向裂缝。对比平装喷注器发现纵向裂缝更易发生。研究结果为共轴喷注器设计提供理论依据。
吕乐奇|金鑫|张慧强
清华大学航空航天工程学院，北京，100084，中国
摘要
在背压条件下，对带有凹陷区域的液氧/氢气同轴喷射器中的流动过程进行了数值模拟，获得了液氧射流的空间和时间演化过程。与典型的K-H或R-T表面不稳定波液射流雾化机制不同，本文提出了一种新的雾化机制，即端面触发和凹陷区域侧向流动之间的相互作用。这种机制使得液氧射流在凹陷区域迅速破碎，并使氢气和液氧快速混合。由于高速氢气的作用，液氧射流在仅6毫米长的凹陷区域内的质量损失率约为41.52%，而液氧射流的流动面积由于加速和质量损失减少了70.50%。燃料-氧化剂的混合流动面积占喷射器出口截面积的82.54%，而在上游6毫米处这一比例为零。因此，本文确定了液氧射流的两种主要雾化模式：一种是喷射器内部液滴表面的脱离模式（纤维状破碎模式），另一种是喷射器外部空心液滴的纵向断裂模式。对于平装同轴喷射器，所提出的液滴破碎机制仍然有效，而纵向断裂则更容易发生，且不会出现空心液滴现象。这些结果有助于理解此类喷射器的工作原理，并为工程设计提供参考。
引言
由于结构紧凑以及出色的雾化和混合性能，气液同轴喷射器已被广泛应用于高性能液体火箭发动机的燃烧室中[1,2]。在氢氧火箭发动机中，液氧和氢气通过带有凹陷区域的双直流同轴喷射器注入燃烧室。液氧射流的雾化及其与氢气环流之间的混合对于燃烧室的可靠点火以及稳定高效燃烧起着重要作用。因此，对高温背压条件下的低温氢氧同轴喷射器雾化过程进行了数值模拟，这有助于揭示该喷射器中的雾化机制。
关于射流雾化的研究可以追溯到1829年，当时Bidone[3]对不同形状的喷射器进行了雾化实验。1978年，Reitz[4]总结了以往的研究，并定义了液射流的四种雾化模式，即由表面张力主导的Rayleigh模式、第一风诱导模式、第二风诱导模式和完全破碎模式。随着Oh数（或Re数）的增加，在给定的Re数（或Oh数）条件下，液射流的破碎依次呈现上述四种模式。Bazarov[5,6]发现，气液喷射器是液体火箭发动机中的扰动放大器和振荡器，可以引起液射流的压降和质量流量的振荡。Fu[7]指出，在带有凹陷区域的气液同轴喷射器中，气体和液体流动存在三种混合模式：外部混合模式、临界混合模式和内部混合模式。Yang[8]使用线性不稳定分析方法研究了微粘性液射流的破碎过程，结果表明气体密度对射流破碎有显著影响。Yatsuyanagi[9]对氮/水同轴喷射器的雾化特性进行了实验研究，发现中心液射流被高速气流加速并破碎。Pal[10]研究了氢氧同轴旋流喷射器的雾化特性，发现热状态下的液滴尺寸大于冷状态，两种条件下的气相速度场存在显著差异。Charalampous[11,12]发现液射流的瞬态表面波具有不对称模式，但其时间平均模式是轴对称的。射流长度随Re数的增加而呈指数衰减，幂指数约为-0.2～-0.3。Kim[13]发现增加气体流速会降低气液同轴喷射器中气体和液体之间的混合程度。Roa[14,15]发现凹陷区域内的流动非常不稳定。Carreau[16]对LOx/He气液同轴喷射器进行了实验研究，发现液滴从液射流表面脱离并被气流加速。Sankar[17]使用水和液氮进行了实验研究，发现凹陷区域内的强烈湍流有利于液滴破碎和蒸发，其长度对液滴尺寸有显著影响。Fong[18]研究了在变化压力下的同轴气流作用下的液射流雾化过程。在气液动量比恒定的条件下，液滴尺寸随环境压力的增加而增大，这与基于K-H和R-T不稳定性的预测一致。Xiao[18]对空气-水同轴喷射器中的水射流破碎过程进行了数值模拟，发现不同流动模式下气液界面的初始不稳定原因不同。Cao[20]研究了气液动量比和凹陷区域对喷射角度、速度和雾化特性的影响。Shi[21]对气液针式喷射器的雾化过程进行了数值模拟，结果表明在周期性操作条件下，液射流的破碎机制可以分为由R-T不稳定性引起的柱状破碎和由K-H不稳定性引起的表面破碎。Chu[22]发现随着气液动量比的增加，气体流动和液体流动之间的相互作用在液射流破碎过程中变得越来越重要。Ren[23]研究了凹陷区域长度对自激振荡特性的影响。Liu[24,25]使用VOF方法对同轴旋流煤油喷射器的雾化过程进行了数值模拟，提出了三种破碎模式：边缘破碎、波动破碎和穿孔破碎。他们还构建了一个包括喷射角度、破碎长度和液滴尺寸在内的综合多模式雾化特性关联模型。Zhang[26]对三种不同气液动量比和Weber数下的针式喷射器的混合和雾化机制进行了数值和实验研究。Zhou[27]发现液-气针式喷射器产生的喷射模式主要受气体Weber数影响，可分为三种类型。Liu[28]发现最初导致表面破碎的不稳定性发生在跨音速区域。研究发现，较高马赫数的侧向流动可以增强沿喷射方向的不稳定波，并增加导致表面破裂的不稳定因素的数量。
可以看出，关于使用液氧和氢气作为工作流体的气液同轴喷射器雾化过程的研究仍然不足。因此，在高背压条件下，对低温液氧和氢气气液同轴直流喷射器的雾化过程进行了数值模拟，这对于理解气液流动和液射流破碎过程具有重要意义。
部分内容
物理模型
本文研究的氢氧气液同轴喷射器配置如图1所示。喷射器由两根同轴管组成，中心管为液氧直流的内喷射器，两根同轴管之间的环形间隙为氢气直流的外喷射器。这两根管不是平装的，内管相对于外管末端凹陷了一定距离。这种非平装区域被称为
数值方法
上述喷射器的气液两相湍流采用单一流体模型描述，湍流通过隐式大涡模拟方法进行模拟。控制方程如下：
