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。     

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。     

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。     

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%。     

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.     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

机枪水下发射膛口燃气射流场分布特性的数值模拟

为了解机枪在水下发射环境中膛口燃气射流场的演化特性,建立了膛口燃气射流(含弹丸)在液体中扩展的两维两相流模型,借助Fluent软件,运用UDF和动网格技术,针对12.7 mm机枪在水中发射形成的膛口燃气射流场进行了数值模拟与分析。结果表明,在近水面发射条件下,燃气出膛口后,先迅速膨胀,形成一个射流膨胀区,温度与压力迅速降低。随后由于膛口燃气持续流入,受限于弹底边界和周围水的约束,形成一个压缩区,燃气温度与压力又快速上升。在弹丸出膛后0.12 ms,已经能清晰地观察到马赫盘结构,且马赫盘距膛口的位移随时间变化特性满足指数上升规律; 在10 m水深发射环境下,膨胀区的扩展受限于更大的水压,使膨胀区下游与气液界面附近的温度峰值与压力峰值偏大,且峰值所处位置向膛口方向移动; 马赫盘距膛口位移随时间变化较小。     

斜切喷管火箭发动机燃气射流流场特性研究

为了研究斜切喷管发动机的燃气射流流场特性,采用有限体积法数值求解非定常可压缩N-S方程,对不同喷管角度、不同海拔高度以及不同燃气温度条件下的发动机斜切喷管燃气射流流场特性进行数值模拟研究。结果表明:由于斜切喷管不对称外伸壁面的存在,导致喷管燃气射流流场不再对称; 喷管壁面不对称程度越大,则喷管燃气射流偏转与扩张角度越大; 随着海拔高度的增加,燃气流场核心区域与燃气射流的影响范围、以及射流偏转角度不断增大,但射流核心区域的波节数将不断减小; 此外,燃气温度变化,对喷管流场压强分布影响较小,但对流场速度值影响较大; 燃气温度越高,则喷管出口排气速度越大,致使喷管射流流场的燃气动能越大。     

基于动网格的炮口制退器两相流场数值模拟

为较准确地研究火炮发射时高温高压高速的燃气射流经由炮口制退器的流场,对基于动网格的炮口制退 器两相流场进行数值模拟。利用FLUENT 软件,采用光顺和重构的非结构动网格更新方法,使用结构非结构混合网 格技术,建立炮口制退器的流场模型,对弹丸飞出炮口制退器过程中的膛口流场进行数值模拟,并对比分析了燃气 射流中的固相颗粒与气相耦合的两相流场和单纯气相流场对炮口制退器的影响。计算结果表明：考虑了两相的流场 与单纯气相流场在压强分布上存在明显的区别,可为后续炮口制退器的结构设计与优化研究提供一定的参考。     

枪口压力对水下发射膛口流场特性的影响

为了研究机枪水下发射枪口燃气喷射压力对膛口流场分布特性的影响,基于流体计算软件FLUENT,采用结构化网格并结合动网格技术,建立了水下枪膛口流场二维轴对称仿真模型,针对14.5 mm水下枪,分别采用30 MPa、45 MPa和60 MPa燃气喷射压力对水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明:3种枪口喷射压力条件下,火药燃气喷出膛口后都迅速形成射流膨胀区,膛口轴向压力急剧衰减,燃气扩展过程中受到水和弹丸的较大阻力,在弹后空间聚集,使得压力有不同程度的升高; 燃气喷射压力在30～60 MPa范围内,膛口马赫盘初步形成的时间略有不同,约在145～152 μs之间,压力越小时,马赫盘形成越早且弹丸越早脱离火药燃气的包围; 3种压力条件下马赫盘距离膛口中心位置随时间的变化都呈指数分布规律。     

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。