作为一种基本的流体流动形式,自由圆湍射流已被广泛用于各工业领域。在一些技术应用(如高压水射流切割、清洗、燃油喷雾等)的改进过程中,对射流稳定性要求及其复杂界面结构的认知显得越来越重要。为进一步了解自由圆湍射流的发展及其潜在流动特性,在国家自然科学基金项目“介观超高压射流的界面流动及失稳机理研究(51176065)”的资助下,本文针对射流的稳定性进行分析研究。根据本课题组的实验成果,设计并简化喷嘴模型与计算模型,捕捉射流不稳定界面结构与流场中大尺度拟序结构,进而探索入流条件与射流界面涡旋对射流稳定性的影响机制。其研究的主要内容及所取得的成果如下:本文首先对低速液体喷射射流及液滴形成变化进行数值模拟,通过系统改变入口边界条件及壁面接触角作对比模拟试验。发现相互制约的量纲一参数Re、CH、ZF会显著影响计算域内液体喷射特征;采用不同润湿性壁面的喷嘴,液滴形成前后其颈缩区呈现不同的角度,且疏水性壁面液滴断裂时刻比亲水性壁面断裂时刻晚;在雷诺数Re=27~63范围内,合理控制量纲一参数CH和ZF,即可在计算域内形成均匀稳定液滴。通过模拟结果与实验结果的对比以及对气液界面特性的分析,有效验证了流体体积法(VOF)对气液两相界面捕捉的可行性。其次,采用经验证的VOF算法,结合大涡模拟,对中等雷诺数(Re=10000-80000)范围内的自由圆湍射流进行模拟仿真,捕捉射流气液界面的微尺度界面结构演化特征,并采用涡旋强度等值面对射流流场中大尺度拟序结构进行可视化,从而研究射流入流条件对射流近场区稳定性的影响。结果表明:随射流速度和扰动强度增加,其未扰液核长度下降,表面波尺度减小,射流近场区产生更为丰富(长度尺度跨度广、涡旋强度范围大)的特征涡旋结构;从射流的时均流场看出,在相同扰动强度,不同雷诺数下,随雷诺数增加,射流对周围流体的正卷吸作用加强,射流的径向扩散作用沿流向更加显著。此外,本文基于开源OpenFOAM-2.3.0计算平台,进一步探讨大涡模拟算法本身对射流微尺度界面结构及射流界面离散高能涡捕捉能力的影响。发现大涡模拟的过滤方法对射流表面波及界面离散高能涡的捕捉会有显著影响,而采用不同的亚格子模型所带来的影响却并不明显;射流界面解析出的某一确定尺度λ以上的大尺度离散高能涡与射流表面波形成直接相关,而小尺度涡团对射流表面型影响并不大。