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。     

四股燃气射流在整装式液体中扩展特性的实验研究

为了探索控制整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的方法,设计了多结构的圆柱及圆柱渐扩型观察室,利用高速数字录像系统记录了四股燃气射流的扩展过程,通过处理射流扩展过程的序列图,得到不同时刻燃气射流头部的平均轴向位移,对比了采用不同渐扩比的A型、B型和G型观察室以及在A型观察室中不同喷孔压力、喷孔直径、喷孔中心间距等参数对四股燃气射流在液体工质中扩展特性的影响。实验结果表明:多级渐扩型结构能够通过台阶的诱导作用,增强射流径向扰动,当渐扩比(ΔD/L)从0.3增加到0.6,射流轴向位移减小了10.8%;随着喷孔压力增大,气体射流强度增大,喷孔压力从9.18MPa增大到15.30MPa,t=4ms射流轴向位移增加了20.9%;当喷孔直径从1.4mm增大到2.0mm时,轴向位移较快,气液掺混较剧烈,t=5ms射流轴向位移增加了24.1%;增大喷孔中心间距,可以使径向扩展更加充分,减慢轴向扩展,当喷孔间距从16mm增大20mm时,t=5ms射流轴向位移减小了20.6%。     

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.     

含能气体射流在液体工质中扩展的两维模型及数值模拟

为了研究整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的控制方法,针对渐扩型药室结构,建立了含能气体射流在液体工质中扩展的两维模型,应用FLUENT应用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.探讨了渐扩型结构尺寸、喷气压力和喷口直径参数变化对射流扩展形态的影响,获得了射流场等温线、等压线和等密度线图.结果表明:当渐扩尺寸比为0.8、喷气压力大于30 MPa、喷孔直径大于2 mm时,气体射流发展不稳定,气液湍流掺混强烈.模拟出的射流轴向扩展速度和实验结果基本吻合.     

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。     

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。     

整装式含能液体燃烧推进过程气液反应流场的数值模拟

为研究燃烧室形状对整装式含能液体燃烧推进过程稳定性的作用机理,基于流体动力学理论和组分输运方程,建立了二维轴对称气液两相流动与燃烧模型,模拟了圆柱型和阶梯渐扩型燃烧室中的化学反应流场。通过对燃气空腔扩展和燃面运动的追踪,研究了温度、速度、压力以及体积分数的分布特征,分析了燃烧室形状对流场演化过程的影响规律。结果表明,含能液体点火燃烧后,所形成的燃气空腔在液体中快速膨胀,当空腔穿透液体并向弹底方向发展时,沿燃烧室轴向的燃面迅速增长,气液间的切向速度差带来Kelvin-Helmholtz不稳定效应,而阶梯渐扩型燃烧室有助于诱导径向湍流,减缓燃气空腔的轴向扩展速度,抑制轴向Kelvin-Helmholtz不稳定效应,提高整装式含能液体燃烧推进过程的稳定性,计算结果与实验数据吻合较好。     

含能气体射流在液体工质中扩展过程的简化模型

为了控制整装式液体发射药火炮燃烧稳定性,针对稳燃渐扩型药室结构,利用高速摄影方法,观察了气体射流在液体中的扩展过程,测量了射流轴向扩展速率。在实验基础上,从湍浮力射流理论出发,建立了气体射流在液体中扩展的准稳态模型。借助四阶龙格-库塔法,编程模拟出气体射流的扩展特性。结果表明：随着轴向距离增加,射流中心线速率迅速递减,射流半宽度呈线性递增,计算值与实测值吻合较好。     

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。     

多股贴壁燃气射流在圆柱型充液室中的扩展特性

为了探索高温高压周向均布多股贴壁燃气射流在受限空间内液体工质中的扩展特性,设计了贴壁燃气射流在圆柱形充液室内扩展的实验装置。用数字高速录像系统记录多股贴壁燃气射流在充液室中的扩展过程,处理拍摄记录的射流扩展序列图,获得了不同时刻多股射流形态头部的平均轴向位移。从射流扩展序列图可以发现由Kelvin-Helmholtz不稳定性引起的表面不规则一直存在于整个射流扩展过程。通过改变喷孔个数和破膜喷射压力,对比分析了不同工况下多股贴壁燃气射流的扩展特性。结果表明:喷孔个数增加,相同时刻射流轴向扩展位移变小,t=5 ms时刻,从四孔增加到六孔,其轴向扩展位移减少了8.3%,从六孔增加到八孔,减少了3.1%;随着破膜喷射压力增大,射流轴向扩展速度更快,射流轴向扩展到达充液室顶部的时间变短,t=5 ms时刻,燃气破膜压力从12 MPa增加到20 MPa,射流轴向扩展速度增加了20.1%,从20 MPa增加到28 MPa,增加了19.9%。     

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。     

双面导流器排导规律研究

利用发射燃气动力学三维仿真手段研究了双面导流器排导燃气的基本规律。仿真研究表明,燃气流经双面导流器呈蝶形排导规律;受双面导流器顶端干扰,燃气流在双面导流器顶端附近形成帽形脱体激波,并在双面导流器顶端形成驼峰效应;同时,由于受双面导流器及射流自身结构影响,在双面导流器腹部形成二次压缩激波和核状流元结构。在仿真研究基础上,开展的燃气喷流试验验证了双面导流器排导规律。     

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。     

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%。     

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%.