离心喷嘴广泛应用于液体火箭发动机、燃气流地面设备、高性能航空发动机等燃烧型装置以及其他非燃烧型工业设备,深入理解其雾化特性及机理对于实现工程应用和技术突破具有重要意义。本文针对燃烧型装置上广泛应用的敞口式离心喷嘴,研制背压环境喷雾试验装置,结合多种光学测量和数值计算,对其喷雾演化过程、喷雾形态、微观和宏观雾化特性参数、关键因子影响规律以及工程应用开展研究。完成的主要工作和取得的成果如下:(一)研制了适应宽喷嘴流量及多种光学测量的背压环境喷雾试验装置。成功研制最大背压4.0MPa、最大气体流量～600g/s、最大液体流量～500g/s的气液喷嘴喷雾试验装置。该装置适合开展PDPA (相位多普勒粒子分析仪)、PIV (粒子图像测速仪)、高速阴影、高速纹影及高速背光等光学测量,并且支持试验件垂直移动,以灵活选取喷雾视场。(二)开展了敞口式离心喷嘴流动及喷雾演化过程试验和计算研究。采用高速背光摄像并结合VOF (流体体积法)数值计算,详细研究了敞口式离心喷嘴内部空心涡形成、液膜填充及近喷口液膜破碎的流动及演化过程,结果发现:(1)在喷嘴内部填充过程中,液膜切向孔截面形态依次经历正方形、花瓣形和圆形;液膜离开喷嘴不会立刻断裂,而是逐渐变薄,伴随扰动波增长,直至波幅超过1/2液膜厚度时发生断裂,其后继续经历变薄、失稳、脱落、破碎以及聚合。(2)随着喷注压降增加,液膜破碎力和聚合力平衡点不断向下游移动,喷雾形态依次经历扭曲铅笔形、洋葱形、郁金香形和完全发展形;同时,背压的增加不仅改变喷雾形状,并且背压越高,喷雾形状转变越早,当背压升至0.6MPa,喷雾头部出现明显回流区,继续升至背压1.6MPa时,喷雾由锥形向钟形转变,至高背压2.1MPa时完全呈钟形。(三)开展了敞口式离心喷嘴稳态流动及喷雾特性研究,并系统考察了工作参数(喷注压降和背压)和结构参数(切向孔直径和长径比)的影响。首先,采用高速阴影测量并结合VOF数值计算,获取了敞口式离心喷嘴稳态流动和雾化流场的物理图像,结果发现:(1)考虑切向孔真实形状时,在切向孔和旋流室交界处,压力速度分布不完全均匀,喷嘴中心区域流场不规则,轴向速度在两个切向孔间存在峰值;(2)随着喷注压降从0.002MPa增至0.8MPa,喷雾场依次经历扭曲铅笔形、洋葱形、郁金香形和完全打开形,同时破碎时间缩短,表面波波峰间距降低,振幅增加。(3)在同一喷注压降下,随背压升高,喷雾域收缩,喷雾角和喷雾宽度变小,完整液膜区缩短,破碎长度变小,喷雾域内颗粒数显著增加。其次,结合高速阴影图像后处理、常规流量测量和PDPA测量,定量获取了包括流量系数、喷雾角、破碎长度、速度分布、液滴尺寸分布及浓度分布等微观和宏观特性参数,结果发现:(1)在2.1MPa高背压下,喷注压降从0.1MPa升至0.2MPa时,流量系数显著增加,而在0.1MPa低背压下,喷注压降增加,流量系数几乎保持不变;当喷注压降增至临界值(约0.4MPa)时,喷雾锥发展完全,流量系数随背压增加仅略微减小;(2)同一喷注压降下,随着背压增加,喷雾角降低,但在背压较高时,降低幅度显著减小;(3)随着喷注压降和几何特性参数增加,出口液膜厚度和液膜破碎长度降低;随着长径比增加,流体动量损失增大,破碎长度增加;(4)切向孔或长径比增大,将削弱旋流强度,使得喷雾角降低,流量系数增加。最后,全面考虑背压、喷注压降、长径比和几何特性参数A等重要因子,拟合得到流量系数、喷雾角和破碎长度的经验公式,其使用范围更宽、拟合误差更小,可为工程设计提供依据。(四)结合工程应用,还开展了含敞口式离心喷嘴的气液同轴喷嘴喷雾演化及流场特性研究,并利用筛选的气液同轴喷嘴,开展燃烧加热器设计和点火调试。考虑到气液同轴离心喷嘴在燃烧型设备上广泛应用,对其喷雾演化过程和雾化流场结构进行拓展研究,结果发现:(1)气液同轴喷嘴缩进段的外喷嘴壁面限制了离心喷嘴出口液膜发展,导致出口喷雾角比单独离心喷嘴小,并且液膜形态呈圣诞树形;环形气体射流显著提高了液滴速度,大幅降低了液滴粒径,并使粒径分布更均匀。(2)含敞口式离心喷嘴的气液同轴喷嘴应用在高超声速高温风洞燃烧加热器上,可在较宽广流量范围实现快速点火和高效燃烧,并表现出良好的燃烧稳定性和流场均匀性。通过以上研究,一方面深化了背压下敞口式离心喷嘴喷雾演化过程、喷雾形态、微宏观雾化参数以及关键因子影响的规律性认识;另一方面获得全面考虑各工作和结构参数影响的敞口式离心喷嘴流量系数、喷雾角及破碎长度经验关系式,并验证了含敞口式离心喷嘴的气液同轴喷嘴在燃烧加热器上的适用性,拓展了敞口式喷嘴的工程应用范围。