该文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及机构

该研究由江苏大学的研究团队完成，具体作者信息未在摘要部分明确列出，但文档标注为江苏大学博士学位论文，提交时间为2023年。

学术背景

研究领域：该研究属于内燃机燃油喷射系统与计算流体力学（CFD）交叉领域，聚焦柴油机高压共轨燃油喷射系统中喷嘴内部的涡线空化（vortex-induced string cavitation）流动特性及其对射流破碎的影响机制。

研究动机：
1. 工程需求：柴油机的高热效率和低排放依赖于燃油喷雾的雾化质量，而喷嘴内部的空化现象（尤其是涡线空化）对射流初次破碎具有显著影响，但相关研究较少。
2. 科学问题：涡线空化作为一种特殊的空化类型，其形成机制、与湍流涡流的相互作用及其对射流破碎的贡献尚不明确。
3. 技术空白：现有空化模型和湍流模型对涡线空化的预测精度不足，需开发更精确的数值方法。

研究目标：
- 揭示喷嘴内涡线空化的瞬态演变规律及其与涡流场的相互作用机制；
- 评估不同湍流模型和空化模型对涡线空化的预测能力；
- 探究针阀运动对涡线空化的影响；
- 阐明涡线空化射流破碎的物理机理。

研究流程与方法

研究分为四个主要部分，结合高性能数值模拟与可视化试验，具体流程如下：

1. 涡线空化与涡流场相互作用机制研究

• 试验验证：采用高压共轨喷射系统原尺寸透明喷嘴，通过阴影法捕捉涡线空化形态，验证数值模型的准确性。
  
• 数值模型：基于雷诺应力模型（RSM）耦合Schnerr-Sauer空化模型，模拟喷嘴内瞬态两相流场。
  
• 关键分析：
  
  • 通过涡量输运方程量化涡线空化的主导因素（涡伸缩项、胀量项、斜压扭矩项）；
    
  • 发现涡线空化起源于喷嘴压力腔（sac腔）的涡核区域，并呈现周期性单涡与同向旋转涡的转换。
    

2. 湍流模型与空化模型评估

• 湍流模型对比：测试RNG (k-\epsilon)、SST (k-\omega)、RSM、超大涡模拟（VLES）和大涡模拟（LES）的预测能力。
  
  • 结果：RSM因摒弃各向同性涡粘假设，能更准确捕捉涡线空化结构；VLES在粗网格下可达到与LES相当的精度，计算成本更低。
    
• 空化模型优化：修正Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）模型，显著提升涡线空化预测准确性。
  

3. 针阀运动对涡线空化的影响

• 动态网格技术：结合VLES模型模拟针阀运动过程中的瞬态流场。
  
• 涡识别方法评估：对比第二代（Q准则、λ₂准则）与第三代涡识别方法（Liutex、Omega、Liutex-Omega）。
  
  • 结果：Omega和Liutex-Omega方法对弱涡识别更敏感，且阈值依赖性低；针阀运动诱导的弱涡结构是涡线空化发展的关键因素。
    

4. 涡线空化射流破碎机理

• 数值方法：耦合大涡模拟（LES）与界面追踪方法（VOF），解析射流内外表面的破碎过程。
  
• 机理分析：
  
  • 外表面破碎：燃油与空气速度差导致Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性，形成轴向和周向表面波，最终破碎为液丝和大液滴；
    
  • 内表面破碎：蒸汽泡坍塌引发逆压与Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性，斜压扭矩项在下游流场中占主导地位。
    

主要结果与结论

1. 涡线空化特性：

   • 集中于sac腔和喷孔出口附近，涡伸缩项是主导因素，斜压扭矩项影响最弱。
     
   • 针阀运动下，sac腔内的弱涡结构是涡线空化发展的关键。
     

2. 模型优化：

   • RSM+修正ZGB模型为最优组合；VLES模型可平衡计算成本与精度。
     

3. 射流破碎机制：

   • 外表面KH不稳定性与内表面RT不稳定性共同作用，为空化射流破碎模型提供理论支撑。
     

研究价值与亮点

科学价值：
- 首次系统揭示了柴油机喷嘴内涡线空化的瞬态演变规律及其与湍流涡流的耦合机制；
- 提出了适用于涡线空化预测的湍流-空化模型匹配策略。

应用价值：
- 为优化喷嘴设计、提升燃油雾化质量及降低排放提供理论依据；
- 开发的VLES-ZGB方法可推广至其他空化流动模拟场景。

创新点：
1. 结合动态网格与第三代涡识别方法，解析针阀运动下的涡线空化瞬态特性；
2. 通过LES-VOF耦合揭示了空化射流内外表面破碎的物理机制；
3. 修正ZGB模型显著提升了涡线空化的数值预测精度。

该研究通过多尺度数值模拟与试验验证，填补了涡线空化机理研究的空白，为高压共轨喷射系统的优化提供了重要参考。