胡志濤，余永剛

(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

圓柱形充液室中4股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展特性的實(shí)驗(yàn)研究*

胡志濤，余永剛

(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

為了探索高溫高壓周向均布4股貼壁燃?xì)馍淞髟谑芟蘅臻g中的擴(kuò)展特性，設(shè)計(jì)了貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱形充液室內(nèi)擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)裝置，借助數(shù)字高速錄像系統(tǒng)，觀察了4股貼壁燃?xì)馍淞髟诔湟菏抑械臄U(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)由Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性引起的表面不規(guī)則一直存在于整個(gè)射流擴(kuò)展過程；通過處理拍攝記錄的射流擴(kuò)展序列圖，獲得不同時(shí)刻射流擴(kuò)展的軸向和徑向位移;對比了不同破膜噴射壓力和噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對4股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：噴孔面積越大，貼壁射流初期軸向擴(kuò)展速度越大，但由于徑向擴(kuò)展達(dá)到交匯的時(shí)間較早，湍流摻混和干涉強(qiáng)烈，衰減也越快；破膜噴射壓力越高，射流徑向擴(kuò)展到達(dá)交匯的時(shí)間越短;破膜噴射壓力從12 MPa升高到20 MPa，射流軸向擴(kuò)展速度大幅增加，氣液湍流摻混效應(yīng)增強(qiáng)。

流體力學(xué)；擴(kuò)展特性；湍流摻混；燃?xì)馍淞?；氣液相互作?/p>

潛艇作為武器發(fā)射的水下平臺(tái)，具有機(jī)動(dòng)靈活和隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了海上武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。其潛射導(dǎo)彈水下發(fā)射過程中，噴出的高溫高壓燃?xì)馀c周圍水介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，其間伴隨一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如激波、氣水摻混、換熱、相變等。對水下自由射流的擴(kuò)展特性已進(jìn)行了相關(guān)研究。E.Loth等[1-2]通過大量實(shí)驗(yàn)獲得水下自由燃?xì)馍淞髦行妮S線上壓力的時(shí)空分布特性，并數(shù)值研究了其多相流動(dòng)過程。Chen Yongsheng等[3-4]、甘曉松等[5]和Tang Jianing等[6]針對水下燃?xì)馍淞鲉栴}，分別采用不同的數(shù)值方法模擬了燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過程，并揭示了射流的頸縮、斷裂和回?fù)衄F(xiàn)象。施紅輝等[7]對高壓氣體射流水下自由擴(kuò)展過程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，并對射流壓力場進(jìn)行了詳細(xì)的測量，發(fā)現(xiàn)超聲速氣體射流擴(kuò)展過程的流體振蕩與射流氣相介質(zhì)中的激波反饋現(xiàn)象有關(guān)。湯龍生等[8]采用燃?xì)獍l(fā)生器和水下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了水下超聲速燃?xì)馍淞鞯臍馀萆L及演變過程，以及氣泡壓力波在水中的傳播特性，探討了壓力波在水介質(zhì)中的衰減規(guī)律。C.Weiland等[9]利用高速錄像系統(tǒng)記錄了不同馬赫數(shù)下水下自由燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)了回?fù)衄F(xiàn)象，認(rèn)為該回?fù)衄F(xiàn)象是一種激波反饋現(xiàn)象。

針對全淹沒水下火炮發(fā)射方式，考慮到水下發(fā)射過程中，由于身管內(nèi)充滿水，彈前有很長一段水柱，彈前阻力與空氣相比增大了1 000倍，導(dǎo)致水下火炮內(nèi)彈道特性發(fā)生突變，膛壓陡增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)膛炸事故。本文中提出一種新方法，即：在彈丸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過發(fā)射身管內(nèi)壁表面噴出多股燃?xì)馍淞?，?shí)時(shí)排出身管中彈前水柱。這屬于圓管內(nèi)受限射流與液體的相互作用問題，對該問題學(xué)者們已進(jìn)行了大量的研究。S.I.Voropayev等[10]實(shí)驗(yàn)研究了受限射流擴(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)射流擴(kuò)展后期出現(xiàn)周期性震蕩，并獲得其震蕩頻率，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)邊界條件的改變會(huì)影響壓力分布，并最終導(dǎo)致射流破碎。D.Liberzon等[11]針對受限射流湍流擴(kuò)散過程中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了受限空間存在反向壓力梯度，最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生，并根據(jù)數(shù)值模擬中壓力分布特性的分析補(bǔ)充說明了這一結(jié)論。Yu Yonggang等[12-13]、齊麗婷等[14]和莽珊珊等[15-16]針對單股燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)相互作用的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Xue Xiaochun等[17-18]針對雙股射流在圓柱漸擴(kuò)形充液室中的擴(kuò)展過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。

以上研究都以單股或雙股射流在自由流場或充液室中擴(kuò)展為研究對象，本文中以全淹沒式水下火炮發(fā)射為背景，針對周向均布4股貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱形觀察室中的擴(kuò)展特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)討論不同噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和破膜噴射壓力對4股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展形態(tài)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由高壓燃燒室、周向均布4孔噴嘴和圓柱形觀察室組成。圖1右側(cè)為A-A剖視圖，周列4個(gè)半圓為狹縫形貼壁噴孔。觀察室為?55 mm×150 mm的圓柱型結(jié)構(gòu)，由透明的有機(jī)玻璃制成以便于觀測，內(nèi)部充滿液體，觀察室的底部連接燃?xì)獍l(fā)生器。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

其工作原理是:利用電點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃填充在燃燒室內(nèi)的速燃火藥，火藥被點(diǎn)燃，其壓力迅速升高，至一定閾值，沖破紫銅密封膜片，高溫高壓的燃?xì)饨?jīng)周向均布4孔噴嘴形成4股貼壁燃?xì)馍淞?，噴入充滿液體工質(zhì)的透明觀察室中，燃?xì)馍淞髟趪姽艹隹谔帪槁曀倭?，進(jìn)入充液室之后，很快衰減，變成亞聲速流。4股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中相互作用以及射流擴(kuò)展過程由數(shù)字高速錄像系統(tǒng)記錄。為了減少重力的影響，將此裝置豎直向上放置，即高溫高壓的燃?xì)庥扇紵蚁虏肯蛏蠂娙?，觀察室上端與大氣相連。實(shí)驗(yàn)中選擇的液體工質(zhì)為水。

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路圖。2平面鏡呈45°夾角放置，分別捕捉4股燃?xì)馍淞髡婧蛡?cè)面擴(kuò)展過程。高速攝影儀對焦平面鏡，拍攝記錄鏡中圖像。

實(shí)驗(yàn)研究了破膜噴射壓力、噴孔形狀以及噴孔面積對4股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展特性的影響。其中破膜噴射壓力是通過改變裝藥量和紫銅膜片的厚度實(shí)現(xiàn)的。通過更換噴嘴，實(shí)現(xiàn)對噴孔形狀和面積S的改變。噴孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路圖Fig.2 Optical pathway sketch of experimental system

表1 噴孔的結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 1 Parameters of nozzle structure

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 周向均布4股貼壁燃?xì)馍淞髟诔湟菏抑械臄U(kuò)展過程

實(shí)驗(yàn)中，噴孔采用紫銅膜片密封，用來得到足夠的破膜噴射壓力?，F(xiàn)以A型噴孔為例，說明破膜噴射壓力為12 MPa時(shí)，周向均布4股貼壁燃?xì)馍淞?溫度2 300～2 400 K)在圓柱形充液室中擴(kuò)展的特性，圖3顯示了其系列發(fā)展過程，實(shí)驗(yàn)中高速錄像拍攝頻率為4 000 fps。

圖3 A型噴孔4股貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱形充液室中擴(kuò)展的序列過程Fig.3 Sequence of annular four wall gas jets through A-type nozzles expanding in the liquid-filled cylindrical chamber

由圖3可以看出，當(dāng)4股貼壁燃?xì)馍淞鲝莫M縫噴孔剛噴入液體工質(zhì)時(shí)，即在t=0.50 ms時(shí)，4股貼壁射流明顯分開，同時(shí)可以看到射流邊界很不規(guī)則，呈鋸齒形，表明射流擴(kuò)展初期已經(jīng)呈現(xiàn)Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)。之后隨著時(shí)間的推移，射流之間發(fā)生相互卷吸和干涉，邊界湍流摻混明顯。當(dāng)t=2.25 ms時(shí)，4股貼壁射流中心已經(jīng)開始交匯，貼壁射流的內(nèi)側(cè)邊緣出現(xiàn)明顯的相互干涉，射流的頭部也由于相互吸引而呈現(xiàn)彎曲靠近的趨勢。當(dāng)t=4.00 ms時(shí)，4股射流中心已經(jīng)匯聚為一股。同時(shí)可以看到,貼壁射流擴(kuò)展后期充液室底部還殘存大量的液體工質(zhì)，殘留的液體只能通過Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)與燃?xì)獍l(fā)生相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流摻混和卷吸現(xiàn)象。從整個(gè)序列圖中可以看出，在4股貼壁射流擴(kuò)展的整個(gè)過程中，4股貼壁射流基本是對稱的。

2.2 不同參數(shù)對4股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展特性的影響

2.2.1 噴孔形狀的影響

通過射流擴(kuò)展序列照片，采用Photoshop軟件可以讀出照片中4股Taylor空腔的軸向和徑向擴(kuò)展位移，并取其平均值作為相應(yīng)的擴(kuò)展位移。圖4為相同破膜噴射壓力20 MPa和噴孔面積8 mm2，僅改變噴孔形狀，分別使用?4.5 mm的半圓孔和2 mm×4 mm的矩形噴孔，4股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向和徑向擴(kuò)展位移曲線圖。

圖4 不同類型噴孔射流的軸向和徑向擴(kuò)展位移曲線Fig.4 Axial and radial displacement curves of jets under different nozzle shapes

由圖4(a)可見，在整個(gè)擴(kuò)展過程中，相同時(shí)間內(nèi)A型噴孔射流的軸向擴(kuò)展位移皆略大于B型；同時(shí)從徑向擴(kuò)展位移曲線圖4(b)可以看到，擴(kuò)展前期B型噴孔射流徑向擴(kuò)展位移略大于A型，之后徑向擴(kuò)展變緩，后期射流徑向擴(kuò)展位移小于A型。這跟C.K.W.Tam[19]對矩形氣體射流的理論研究相符，即高度局部的角落不穩(wěn)定性模式會(huì)迅速導(dǎo)致顯著的氣液摻混，從而導(dǎo)致徑向擴(kuò)展速度迅速下降。根據(jù)圖像處理獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用一階指數(shù)衰減方程擬合出Taylor空腔軸向位移x隨時(shí)間t變化的規(guī)律:

x(t)=B0+B1e-t/B2

式中:B0、B1和B2為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化曲線的擬合參數(shù)，如表2所示，p為破膜噴射壓力。由于Taylor空腔徑向擴(kuò)展時(shí)間短，取得的數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，此處不進(jìn)行擬合處理。

表2 Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化曲線的擬合參數(shù)Table 2 Fitted parameters for axial displacement-time curves of Taylor cavity

2.2.2 噴孔面積的影響

圖5為相同破膜噴射壓力20 MPa和相同矩形噴孔形狀，僅改變噴孔面積，分別使用B、C型噴孔，4股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向和徑向擴(kuò)展位移曲線圖以及根據(jù)軸向擴(kuò)展位移處理所得軸向擴(kuò)展速度曲線圖。

由圖5可見，噴孔面積增大，使射流動(dòng)量增大，相同時(shí)間內(nèi)C型噴孔射流軸向擴(kuò)展位移比B型噴孔的大，同時(shí)C型噴孔射流徑向擴(kuò)展到達(dá)交匯更早。由于4股射流交匯后，4股射流間的干涉以及射流與水之間的卷吸作用增強(qiáng)，削弱了Taylor空腔軸向湍動(dòng)能，從而使軸向擴(kuò)展速度衰減。 從圖5(c)可看出，由于C型噴孔射流徑向擴(kuò)展交匯較早，加強(qiáng)了卷吸與干涉作用，使軸向擴(kuò)展速度衰減更快，在射流擴(kuò)展后期甚至小于B型噴孔射流軸向擴(kuò)展速度。Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化的擬合參見表3。

圖5 B、C型噴孔射流的軸向和徑向擴(kuò)展位移以及軸向擴(kuò)展速度曲線Fig.5 The axial and radial displacement, and axial expansion velocity curves under different nozzle areas

表3 Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化曲線的擬合參數(shù)Table 3 Fitted parameters for axial displacement-time curves of Taylor cavity

2.2.3 破膜噴射壓力的影響

圖6為針對A型噴孔，在破膜噴射壓力分別為12和20 MPa的條件下，4股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向和徑向的擴(kuò)展位移曲線圖以及不同破膜噴射壓力下軸向擴(kuò)展速度曲線圖。

圖6 不同破膜噴射壓力下4股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向、徑向擴(kuò)展位移以及軸向擴(kuò)展速度曲線Fig.6 Axial and radial displacement, and axial expansion velocity curves of jets at different blasting injection pressures

由圖6(a)可以觀察到，增加燃?xì)獾钠颇娚鋲毫Γ?股貼壁射流的射流強(qiáng)度增大，射流軸向擴(kuò)展到達(dá)充液室頂部的時(shí)間變短。同時(shí)從徑向擴(kuò)展位移曲線圖6(b)可以看到，壓力越高，相同時(shí)間內(nèi)的徑向擴(kuò)展位移越大，4股貼壁射流徑向擴(kuò)展到達(dá)交匯的時(shí)間也越短。從圖6(c)可以看出，破膜噴射壓力從12 MPa升高到20 MPa，射流的軸向擴(kuò)展速度大幅度提高。Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化曲線的擬合參數(shù)，如表4所示。

表4 Taylor空腔軸向位移隨時(shí)間變化曲線的擬合參數(shù)Table 4 Fitted parameters for axial displacement-time curves of Taylor cavity

3 結(jié) 論

(1)圓柱型充液室內(nèi)，4股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展時(shí)，由于氣液相間較大的速度差，Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)強(qiáng)烈。同時(shí)由于4股貼壁射流在擴(kuò)展過程中發(fā)生相互卷吸和干涉作用，其邊界湍流摻混現(xiàn)象顯著。

(2)4股貼壁燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展形態(tài)與噴孔結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。矩形噴孔射流相較于半圓形噴孔射流，其高度局部的角落不穩(wěn)定性模式會(huì)迅速導(dǎo)致顯著的氣液摻混，從而導(dǎo)致徑向擴(kuò)展速度迅速下降；噴孔面積越大，貼壁射流初期軸向擴(kuò)展速度越大，同時(shí)由于湍流摻混和干涉的影響，衰減也越快。

(3)4股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展形態(tài)隨著破膜噴射壓力的變化而變化，破膜噴射壓力從12 MPa升高到20 MPa，4股貼壁射流徑向擴(kuò)展到達(dá)交匯的時(shí)間變短，同時(shí)射流軸向擴(kuò)展速度大幅增加，氣液湍流摻混效應(yīng)增強(qiáng)。

(4)破膜噴射壓力在12～20 MPa的范圍內(nèi)，半圓形和矩形噴孔射流的軸向擴(kuò)展位移-時(shí)間曲線均滿足經(jīng)驗(yàn)公式x(t)=B0+B1e-t/B2。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Experimental study on expansion characteristics of annular four wall combustion-gas jets in a liquid-filled cylindrical chamber

Hu Zhitao, Yu Yonggang

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

The combustion-gas generator and liquid-filled cylindrical chamber are designed to study the expansion characteristics of annular four wall combustion-gas jets under high temperature and high pressure in a confined space. The expansion processes of Taylor cavities formed by combustion-gas jets are observed by means of a high-speed digital photographic system. It is shown that the irregular interface induced by the Kelvin-Helmholtz instability exists in the entire expansion process of the jets. The axial and radial displacements at different times are obtained from a series of expansion photographs of gas jets. The effects of the blasting injection pressure and the parameters of the nozzle structure on the expansion characteristics of the annular four wall combustion-gas jets are discussed. The experimental results indicate that, the larger the nozzle orifice area, the greater the axial expansion velocity of the wall jets in the prime stage. Meanwhile, the axial expansion velocity attenuates more quickly due to the effect of turbulent mixing and interference. The higher the blasting injection pressure, the earlier the four jets begin converging. Moreover, the axial expansion velocity of the wall jet increases substantially and the gas-liquid turbulent mixing effect becomes much stronger when the blasting injection pressure increases from 12 MPa to 20 MPa.

fluid mechanics; expansion characteristics; turbulent mixing; combustion gas jet; gas-liquid interaction

10.11883/1001-1455(2016)04-0465-07

2014-12-24；

2015-03-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372139);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXLX14_0396)

胡志濤(1990— )，男，博士研究生,starry_dust@163.com。

O358國標(biāo)學(xué)科代碼：13025

A