燃油经喷嘴雾化的方式进入航空发动机燃烧室进行燃烧,为提高燃烧效率、降低污染物排放和扩宽稳定燃烧范围,新燃烧概念和技术不断被提出,新燃烧概念的提出和发展与新雾化技术是息息相关的,先进的雾化技术都毫无例外地采用了多级旋流空气雾化喷嘴。高温升和低污染燃烧室的发展对燃油雾化提出了新的要求和挑战,喷嘴的作用不仅仅是燃油雾化,还具有燃油和空气掺混及蒸发的作用,燃油雾化和油气匹配成为决定高性能燃烧室综合性能的关键。由于雾化过程的复杂性,缺乏对雾化现象和机理的认识,燃油雾化技术已经成为燃烧室发展的瓶颈。本文对多级旋流空气雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究,目的是加深对雾化现象和机理的认识,从而为设计先进的多级旋流空气雾化喷嘴提供支持。对雾化过程的理解和雾化机理的研究离不开雾化特性两相流测试技术,光学诊断技术的发展促进了对雾化现象的认识。雾化特性光学测试发展比较成熟的方法有基于单点测量的相位多普勒粒子分析仪(PDPA)和基于线测量的Fraunhofer衍射法,但只能得到局部流场的统计平均结果,限制了其对整个流场瞬态特性的研究。平面激光成像方法的提出解决了单点测量的局限性,可以用于流场结构和二维瞬态特性研究,但平面激光成像方法发展还不成熟,存在的问题例如：光源强度在测试介质中的衰减、Mie散射对液滴直径的非线性效应和液滴稠密雾锥中液滴图像的重合等急待解决。因此,本文工作从以下几部分展开：雾化特性平面激光测试方法和实验装置的建立,文氏管预膜式双级空气雾化喷嘴雾化特性和模化实验方法研究,中心分级多点喷射空气雾化喷嘴的雾化性能优化。主要研究内容和结论如下：(1)雾化特性平面激光两相流测试方法和实验装置的建立,基于平面激光成像的雾化特性二维测量方法具有空间和时间分辨率高、速度快的优点,并且对雾锥中液滴浓度要求不高,解决了单点测量方法对雾锥中液滴浓度要求高和只得到平均结果的局限性,可以用于雾锥全场瞬态特性研究,主要功能包括液滴速度、喷雾锥角、燃油空间分布、液滴尺寸及分布等。实验台控制和数据采集都采用远程操作,可以满足离心喷嘴和空气雾化喷嘴的工作条件。液滴速度采用粒子图像测速仪(PIV)技术得到；喷雾锥角和燃油空间分布特性采用燃油-平面激光诱导荧光(PLIF)方法得到,建立了激光能量在雾锥中衰减所引起燃油分布特性测量误差的校正方法,并对校正方法的有效性进行了验证,分别从轴向中心截面和垂直于轴的横截面分析燃油空间分布特性；液滴尺寸及分布分别采用基于单点测量的激光多普勒粒子分析仪(PDPA)、一维测量的Fraunhofer衍射技术、结合激光诱导荧光(LIF)和米氏(Mie)散射技术的二维粒径测试技术(LIF/Mie)得到,建立了LIF/Mie二维粒径测量中几何尺寸校正、相机拍摄位置引起的光强分布误差校正和粒径二维空间相对分布标定方法,通过比较PDPA、Fraunhofer衍射和LIF/Mie方法的粒径测量结果对LIF/Mie二维粒径分布测试方法的有效性进行了验证。另外,高速相机结合卤素光源用于喷嘴出口液膜破碎过程和液膜表面扰动特性的研究。(2)文氏管预膜式空气雾化喷嘴的中心离心喷嘴雾化特性实验研究,采用建立的雾化特性平面激光诊断实验装置研究了供油压差对喷雾锥角、液滴速度分布、液滴粒径及尺寸分布指数、燃油空间分布的影响。结果表明喷雾锥角随供油压差的增加存在一个最大值,然后逐渐减小,液滴的穿透深度随供油压差的增加先增加后减小,液滴粒径随供油压差的增加逐渐减小,当供油压差大于20bar时,液滴粒径及其尺寸分布基本不变。中心轴截面不同轴向位置的燃油径向分布说明供油压差小于10bar时峰值随雾锥的发展到轴向40mm时完全消失,而供油压差大于10bar时,峰值随雾锥发展到轴向50mm处一直存在并位于雾锥的外围。采用前面章节建立的燃油分布特性误差校正方法对某型航空发动机整套18个喷嘴的燃油周向分布特性进行了评估,根据垂直于雾锥中心轴线的横截面中燃油周向分布特性分析了引起燃油分布不均匀的因素,主要有各零部件的同轴度、喷嘴出口圆度和内表面的粗糙度。采用高速相机捕捉了雾锥中液膜的破碎现象,再现了液膜表面扰动波的发展及其破碎成小碎片和液滴的过程,并对液膜扰动特性进行了频谱分布,结果表明扰动主频率为100Hz左右。(3)为进一步深入研究离心喷嘴雾化特性规律的产生机理,采用数值方法对离心喷嘴内部流动特性进行了分析。重点分析了喷嘴内部空气心的形成、气/两相体积和速度分布、喷嘴出口液膜厚度和速度分布与液滴粒径和喷雾锥角的关系。结果表明旋流室中轴向和切向速度在液/气交界面附近最大,喷嘴内部的空气心尺寸随燃油质量流率的增加而变大,空气心在轴向位置的收缩和扩张是空气心扩张处的漩涡引起的,喷嘴内部的空气心是强漩涡,引起液/气交界面扰动,从而引起喷嘴出口液膜表面产生扰动波。喷嘴内部液相中的Gortler呙是液/气交界面上非稳定波产生的另外一个原因。由于雾锥下游受到环境中空气的影响,喷嘴出口液膜速度分布得到的近喷口处喷雾锥角比实验所得雾锥下游的锥角大；液膜厚度是液滴粒径的重要影响因素,喷嘴出口液膜厚度的变化规律解释了液滴粒径的实验结果。(4)文氏管预膜式双级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及模化方法研究,主要内容包括点火工况下旋流器相对压降和初始雾化质量对旋流空气雾化喷嘴雾化特性的影响,慢车工况分别采用保持旋流空气速度、动量比和空燃比不变的方案研究旋流空气和离心喷嘴初始雾化效果对旋流空气雾化喷嘴雾化特性的影响。结果表明,液滴速度是由旋流空气速度和液滴与旋流空气的跟随性共同决定的,而液滴与旋流空气的跟随性是由离心喷嘴的初始雾化特性决定的；液滴粒径也是由旋流空气速度和初始雾化特性共同决定的,初始雾化能否在文氏管表面形成液膜和反向双级旋流空气对液膜的剪切力决定了二次雾化质量。一级旋流空气具有打开离心喷嘴初始雾化雾锥的作用,二级旋流空气通过形成低速区(回流区)影响燃油空间分布。不同模化方案下各参数对雾化特性影响的敏感性分析结果表明,旋流空气速度是雾化特性的决定因素,在雾化特性模化实验中应尽量匹配旋流空气速度。(5)中心分级多点喷射空气雾化喷嘴雾化性能优化,根据中心分级多点喷射低污染燃烧室的点火性能、燃烧效率和污染物排放性能初步实验结果,为扩宽稳定燃烧范围和加强油气掺混,对中心值班级离心喷嘴进行了优化设计,并对其雾化特性和点火特性进行了评估。在供油压差工作范围内值班级喷嘴喷雾锥角在75°-85°之间,液滴平均粒径在20-30μm之间,值班级喷嘴单独工作时雾化性能满足设计要求；值班级喷嘴和旋流空气共同工作时的雾化性能说明离心喷嘴初次雾化的液滴大部分能撞击在文氏管内壁上形成液膜,为保证二次雾化质量建议旋流器相对压降大于2.0%,液滴粒径沿径向分布均匀,为均匀快速实现燃油和空气掺混提供了可能；燃烧室的点火性能考核结果表明,新优化值班级喷嘴雾化性能能够和旋流器匹配,点火性能得到明显改善。