脉冲等离子射流与液体工质相互作用特性实验研究及数值模拟

为了解等离子射流与液体介质间的相互作用特性,采用高速录像系统记录了等离子射流在圆柱充液观察室中的扩展过程,获得了等离子射流在液体介质中轴向、径向扩展位移及扩展速度随时间的变化特性。在实验基础上,建立了等离子射流在液体介质中扩展时的二维轴对称非稳态数学模型,并进行了数值模拟,获得了等离子体和液体两相体积分数时空分布特性,由两相体积分数时空分布图计算得到的Taylor空腔轴向扩展位移与实测值吻合较好。同时获得了射流场中的压力、速度和温度分布,并分析了Taylor空腔的间断机理。     

边界形状对气液相互作用过程的影响

为了控制整装式液体发射药火炮燃烧稳定性,针对渐扩形和矩形药室结构,利用高速摄影方法,观察了气体射流在液体中的扩展过程,获得了泰勒空腔的扩展速度.在实验基础上,建立了舍能气体射流在液体工质中扩展的二维模型,利用FLUENT软件对非稳态气体射流与液体工质相互作用的过程进行了模拟,获得了气体射流场等温线、等压线和等密度线分布图,分析了边界形状对射流扩展特性的影响.数值模拟结果表明,对于渐扩形边界,气体射流扩展到台阶处有旋涡出现;在相同条件下,矩形边界与渐扩边界相比,气体射流轴向扩展速度大,而径向扩展速度小.计算结果与实验结果吻合较好.     

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。     

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。     

边界形状对4股燃气射流扩展稳定性影响的数值模拟

为研究提高整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的方法,从充液室结构出发,分析了冷态条件下边界形状对4股燃气射流扩展稳定性的影响。采用高速数字摄像系统,记录了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中扩展过程。在此基础上,建立了气体与液体相互作用的三维非稳态数理模型,模拟了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型、圆锥型和圆柱型观察室中扩展过程,获得了射流场三维两相分布图、压力和温度分布图。研究结果表明：4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中轴向位移的模拟值与实验结果较吻合;圆柱渐扩型和圆锥型观察室都可以增强燃气射流的径向扩展,有效抑制Taylor空腔与Helmholtz不稳定效应的正反馈机制;圆柱渐扩型由于台阶逐渐诱导作用,近喷孔处温度场无剧烈脉动,射流扩展更加稳定。     

柱形充液室内多股燃气射流流场的气体与液体两相流场演化特性

基于水下枪炮发射的工程背景,对火药燃烧形成的多股高压燃气射流从模拟弹头头部喷入柱形充液室的过程进行了实验观测和数值模拟研究。实验观测采用高速录像记录,数值模型采用流体体积函数模型来描述液体环境中多个燃气泡的扩展,数值模拟结果与实验观测结果相符。数值仿真结果表明：喷孔轴线上的燃气压力经历下降和上升的过程后达到稳定值,空腔附近的水流场由于燃气作用出现压力峰,随后逐渐衰减;在燃气空腔扩展的过程中,离喷孔距离越远的截面上燃气-水流场的压力分布越均匀,截面平均压力随着空腔扩展逐渐下降;随着时间的增长,截面上气体组分分数可达70%.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

锥形多股火药燃气射流与液体工质相互作用的实验研究

为了解水下枪械的发射机理,设计了锥形多股火药燃气射流与水相互作用的模拟实验装置,借助高速摄像机研究了不同喷射压力、不同喷孔直径对多股燃气射流扩展特性的影响。实验结果表明:喷射压力增大,燃气射流的扩展速度增大,扩展过程中湍流不稳定性增强,气液卷吸程度加剧;喷射压力从10.8 MPa提高到28.8 MPa,中心射流的扩展速度增大28%,侧孔射流的扩展速度增大40%;中心喷孔直径由2 mm增大到3 mm,中心射流的扩展速度增大29%,侧孔射流的扩展速度增大26%,但射流的速度下降趋势更明显,而侧面喷孔直径的变化对射流扩展速度影响较小。     

Simulation of Aviation Kerosene Combustion in Dual-mode Scramjet Combustor

Supersonic combustion of aviation kerosene is investigated under the flight conditions of Mach number 5 and fuel-air equivalence ratio 0. 551. The trajectories of the fuel droplets and the heat/mass transfer between them are simulated by means of discrete phase model （DPM）. The k-ω model is chosen for turbulence closure and the non-premixed probability density function （PDF） approach is used to calculate the turbulence-chemistry interaction. The calculated wall static pressure and the total pressure loss coefficient are very close to the experiment results. The strut and cavity devices significantly increase the combustion efficiency.