脉冲等离子射流在液体介质中扩展特性的测量与分析

为了深入了解液体工质电热化学炮的燃烧推进机理,设计了模拟实验装置。采用高速录像系统,观察了脉冲等离子射流喷入液体介质中的扩展过程。测量了脉冲等离子射流在液体介质中形成Taylor空腔的轴向位移和体积变化。得到了Taylor空腔体积随时间变化的定量扩展规律。讨论了贮液室边界形状、放电电压和喷嘴直径对等离子射流扩展的影响。结果表明,两相交界处由于湍流掺混形成皱褶不光滑的交界面。Taylor空腔扩展过程中出现了明显的振荡现象。渐扩结构因子由0.6减小到0.4,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别增大16.6%和12.4%。放电电压由3000 V减小到2100 V,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小36.1%和60.7%。喷嘴直径由2 mm减小到1.5 mm,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小27.2%和56.7%。     

喷射结构对充液圆管内气幕特性影响的数值分析

为了研究火炮水下气幕式发射过程中喷射结构对气幕特性的影响,建立了多股燃气射流在充液圆管中扩展的三维非稳态数理模型,获得了多股燃气射流在充液圆管内气液两相组分、压力与速度分布规律。计算结果表明:多股燃气射流从喷孔喷出后,在液体中形成多个Taylor空腔,通过Taylor空腔与液体湍流掺混生成管内气幕。由于气液湍流掺混作用导致流场内压力出现波动,汇聚界面产生低速涡流区域。斜面喷孔直径由1.5mm增大至2mm,斜面射流回流作用增强,导致由斜面射流与侧壁射流汇聚而成的侧面射流轴向扩张能力提升,气幕整体排水性能增强,8ms时气幕上方液体运动速度由8.26m·s-1增大至9.4m·s-1。     

脉冲等离子射流在空气中扩展特性的测量与分析

为了分析脉冲等离子射流在空气中的扩展特性,采用压电式压力传感器及数字高速录像系统,研究了等离子发生器产生的脉冲等离子射流的扩展过程。用Photoshop等软件处理获得了不同放电电压及喷射破膜压力下,脉冲等离子射流在大气中扩展的体积、轴向位移、径向位移随时间的变化关系。结果表明,脉冲等离子射流扩展时,其形状由初始的类椭球形状逐渐伸展成一个类圆锥头部加细长的类柱形尾部。射流轴向扩展位移始终大于径向位移。扩展的体积随时间呈单峰分布。增大放电电压和喷射破膜压力均可提高射流的扩展能力,且放电电压越大,等离子射流扩展时的湍流掺混越剧烈。     

喷射压力变化对脉冲等离子射流扩展特性的影响

为分析喷射压力变化对脉冲等离子射流扩展特性的影响,建立脉冲等离子射流在空气中扩展的二维轴对称非稳态模型,并进行数值模拟。研究了1.5~3.5 MPa喷射压力范围内,脉冲等离子射流在空气中扩展时的两相界面演化特性及流场参数变化规律,并与实验结果进行对比。研究结果表明：脉冲等离子射流的轴向扩展位移模拟值与实验值较为吻合;喷嘴出口处,射流场参数骤变,近场处参数变化较为剧烈,后期逐渐衰减至环境参数;喷射压力增大时,脉冲等离子射流的扩展体积、马赫盘大小及压力等流场参数均随之增大,扩展过程中的湍流掺混现象也随之增强,表现为等离子体与空气两相界面破碎加剧;喷射压力减小到1 MPa时,喷嘴近场无马赫盘出现。     

喷射压力对等离子体射流在液体中扩展的影响

在液体推进剂电热化学炮的内弹道过程中,等离子体射流的喷射压力对等离子体与液体之间的相互作用影响较大。为了研究喷射压力带来的影响,设计了等离子体射流在圆柱形充液室中扩展的观察试验,建立了等离子体射流在液体介质中扩展的二维轴对称非稳态数学物理模型,并进行了数值计算,计算结果和试验结果吻合较好。分析了喷射压力对等离子体射流扩展特性和流场分布特性的影响,结果表明：等离子体射流在液体介质中扩展,喷嘴附近出现了颈缩现象以及高低压相间分布结构,射流头部出现了局部高压区,侧面出现了局部低压区,等离子体射流的形状由椭圆形逐渐变为纺锤形,射流内部的主漩涡逐渐变大并向下游移动。喷射压力越大,Taylor空腔轴向扩展能力越强,轴向长度与破膜压力和时间呈指数关系;同时头部高压区移动越快,侧面低压区出现越晚,射流内部的主漩涡越大,温度波动越剧烈。增大喷射压力能够加强等离子体射流的扩展能力,但是不利于等离子体射流扩展的稳定性。     

非稳态等离子射流场的二维模型及数值模拟

为了研究等离子射流的点火特性,建立了等离子射流在大气中扩展的二维轴对称非稳态可压流数学模型,采用Fluent软件对等离子射流扩展过程进行了数值模拟.获得了等离子射流扩展界面变化规律以及流场中静压、温度和速度分布特性.分析结果表明:等离子射流与大气间存在强烈的湍流掺混,掺混强度沿下游逐渐递增.喷嘴前9.2mm处出现驻定激波,激波后各参数随时间呈非单调变化;压力、温度和速度沿轴向及径向总体上呈衰减趋势;温度、压力等参数空间分布具有波动性;等离子射流扩展位移模拟值与实测值吻合较好.     

等离子射流在大气中扩展特性实验研究

为了研究电热化学发射中等离子射流的自身特性,采用数字高速录像系统对毛细管等离子射流在大气中的扩展过程进行了实验测试.获得了不同放电电压下,等离子射流在大气中扩展过程的时间序列图以及等离子射流在大气中扩展的轴向和径向位移曲线,计算了不同放电电压下等离子射流的轴向和径向速度.研究结果表明:等离子射流在大气中扩展时,速度具有波动性,轴向速度波动时,后一个波峰低于前一个波峰;射流头部出现强烈的湍流耗散现象;放电电压增大时,等离子体射流径向扩展到最大位移时,径向与轴向位移比增大,而所经历的时间与整个脉冲射流时间之比减小.     

整装式液体发射药燃烧推进过程的内弹道特性

为研究液体药燃烧过程中的压力波以及Taylor-Helmholtz不稳定效应对内弹道性能的影响,针对12.7 mm小口径整装式液体药燃烧发射装置,利用有限元分析软件ANSYS建立气体与液体两相反应流数理模型。通过数值模拟得到液体发射药燃烧过程中Taylor空腔气体与液体界面的演化特性,以及组分质量分数、液体药蒸发速率、化学反应速率和温度云图。结果表明：蒸发和燃烧反应主要发生在Taylor空腔表面,而产物则会均匀地扩散到整个空腔;同时由于Helmholtz不稳定效应,空腔表面会出现褶皱现象。在整个扩展过程中,空腔的轴向扩展速度远大于径向扩展速度,药室四周仍残留有较多液体药,在Helmholtz不稳定效应作用下参与燃烧,从而导致其内弹道稳定性变差,压力振荡加剧。     

爆炸等离子体射流在液体中扩展过程实验研究

采用高速录像测试技术研究了瞬态电弧等离子体射流在液体中连续膨胀扩展的序列过程,给出等离子体射流在液体中形成的泰勒空腔结构特征、膨胀规律以及在等离子体-液体相互作用面上的传热传质现象.通过对照片的分析确定了泰勒空腔的扩展速度,提出了两相流体在界面上的相互作用机理.作为对比,研究了相同喷嘴结构下的火药气体射流在液体中的扩展过程.研究结果表明高温等离子体射流在液体中膨胀时形成一个逐步扩展的泰勒空腔,在两相相互作用界面上存在强烈的传热传质过程;相同当量能量条件下等离子体射流的比冲远高于常规火药燃气.     

圆柱型边界条件下多股燃气射流扩展形态的数值模拟

以整装式液体发射药火炮为背景,从气液两相湍流掺混出发,研究燃烧稳定性的方法。设计圆柱型观察室,采用数值模拟方法,基于流体动力学理论,分别模拟六股和八股燃气射流在圆柱型边界条件下的扩展。通过追踪燃气空腔的扩展,获得了射流场两相分布、流线分布及压力分布。模拟结果表明:2种工况下燃气射流的轴向位移相似,六股燃气射流外轮廓更为光滑,其径向发展强于八股燃气射流。八股燃气射流相互干涉对流场的影响较为剧烈,湍流掺混明显。2种工况下径向压力分布对比明显,轴向压力分布相似。     

Experiment and Calculation for Expansion Process of Ablation Plasma Jets in Liquid

The expansion process of ablation plasma jet in liquid was experimentally investigated by using high speed digital camera. The sequential pictures show that, in the initial stage of the jet, the Taylor cavity expands in the axial and radial directions simultaneously, and then, is subjected to the constraint of chamber wall, in axial direction mainly. The maximum axial speed of the cavity's head ranges from 240m/s to 280m/s. Some strong heat conduction and mass transmission effects can be found in the surface of Taylor cavity, where the plasma cools down and condenses as solid particles while the liquid vaporizes as gas. Compared the expansion processes of the cavities among the different discharge energies and the nozzle diameters, it can be seen that the expansion speed of the cavity is directly proportional to the discharge energy and inversely to the nozzle diameter, and the effect of the discharge energy is stronger than that of the nozzle diameter. A set of equations describing the expansion process of ablation plasma jet was derived under the assumption of momentum conservation. The calculated results by use of the equations coincide with the experimented results better.     

水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用特性研究

为了研究水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用的特性,设计了可视化模拟实验装置,采用高速录像系统记录了圆柱形充液室中弹丸运动及气体与液体相互作用的过程特性,得到了弹丸速度与气幕轴向扩展速度随时间的变化关系。对比不同喷射参数条件下实验结果可以发现：弹丸运动速度随着喷射压力的增加而增加;气幕减阻性能随着斜面喷孔尺寸增大得到提升,弹丸运动速度随之增大。在实验基础上,建立了弹丸运动条件下多股燃气射流在液体介质中扩展的三维非稳态数学模型。针对实验工况进行数值模拟,模拟结果中多股燃气射流扩展过程与实验结果一致;对比二者气幕顶部轴向扩展位移值,可以发现计算结果与实测值吻合较好。弹丸运动条件下气幕生成的数值模型的建立,为水下火炮发射过程中身管内气幕生成及减阻机理分析提供了参考。     

液体工质喷雾特性的测量与分析

借助粒子动态分析仪PDA系统,开展了HAN基液体推进剂模拟工质喷雾特性的试验研究,分别观测了单孔圆柱形射流和双孔对撞射流在大气中的雾化特性,研究了喷射压力、喷孔直径及喷射模式对雾化性能的影响,定量测试了喷雾场轴向、径向雾化液滴的索特平均直径D_(32)和液滴速度v.结果表明,对撞射流与单股圆柱形射流相比,在喷雾场中下游空间里雾化液滴均匀度较高,液滴D_(32)和速度v易达到稳定.     

井下火箭发射燃气对消音层冲蚀损伤模型及特性

井下火箭发射过程中消音层在发动机高温、高速燃气流作用下存在冲蚀损伤，会影响火箭发射安全，系统分析消音层燃气冲蚀损伤特性，对消音层的后期修复以及地下井结构优化具有重要意义。消音层冲蚀损伤是复杂的热-流体-固体多场耦合问题，以典型玻璃丝棉消音层为例，建立玻璃丝棉相变传热和烧蚀损伤数学模型；基于燃气流场数据提取与预处理、插值程序编写和有限元分析软件Abaqus用户子程序开发，搭建消音层燃气冲蚀损伤仿真平台，采用子模型技术，建立玻璃丝棉烧蚀数值仿真模型；对玻璃丝绵烧蚀过程进行仿真，并分析地下井井筒直径、燃气射流初始冲击高度及发动机建压速率3个因素对玻璃丝棉烧蚀损伤的影响；通过玻璃丝棉原理性冲蚀试验对数值仿真模型进行验证。结果表明：玻璃丝棉普遍发生烧蚀，且主要发生在回流和失稳阶段，沿地下井周向分布差异较小，沿轴向越靠近底部烧蚀越严重；减小井筒直径或增大建压速率将加剧烧蚀，增大冲击高度会减少烧蚀；试验结果显示玻璃丝棉都有一定的烧蚀，证明建立的仿真模型是正确的。     

双束燃气射流与整装式液体装药相互作用的实验和数值模拟

为了探索整装式液体发射药火炮(BLPG)内弹道稳定性的控制方法,设计了5 级圆柱渐扩型观察室和圆柱观察室,开展了双束燃气射流在液体药模拟工质中扩展的实验研究。实验结果表明,渐扩型结构能够抑制Taylor 空腔与Kelvin-Helmholtz 不稳定性效应的正反馈机制。在实验基础上,建立了三维非稳态数理模型,模拟了不同观察室结构下,双束燃气射流在液体工质中的扩展过程,获得了射流场中密度、压力和温度的分布图。模拟结果表明:圆柱渐扩型观察室中,由于渐扩台阶的诱导作用,强化了气液在径向的湍流掺混效应,抑制了射流的轴向湍流度;且射流的外轮廓相对较光滑。双束射流轴向位移的计算值与实验结果吻合较好。     

密实装药床中点火火焰传播特性的实验与数值研究

以某火炮密实装药为背景,为了研究在中心点传火结构下装药床中点火火焰的传播特性,设计并使用了可视化半密闭爆发器式模拟实验装置。考虑到实验安全性,装置中以尼龙假药粒床来替代真实发射药,通过高速摄影系统拍摄了装药床中点火火焰的传播过程。实验结果表明,点火火焰在前期主要体现为径向传播,直至火焰气体受到药室壁面的约束,径向传播减弱而轴向扩展成为主要特征。基于实验,结合多孔介质模型建立了装药床中点火燃气流的二维轴对称传播模型,并利用FLUENT软件对点火火焰的流动过程进行了数值模拟。将气体高温面等效为火焰面,数值计算得到的气相温度场云图与实验拍摄的火焰图像对比基本吻合,火焰轴向位移的数值结果与实验结果相差不超过7.14%,并由数值计算的火焰位移曲线得出装药床中火焰轴向传播的平均速度为14.1 m/s。