多股貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱型充液室中的擴(kuò)展特性

胡志濤， 余永剛, 曹永杰

(1. 南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

1 引 言

為了適應(yīng)海洋成為未來戰(zhàn)爭主戰(zhàn)場的需要,水下發(fā)射技術(shù)的發(fā)展受到了高度重視。水下武器在水下發(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)烈相互作用,其間伴隨有一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象,如激波、氣水摻混、換熱、相變等。國內(nèi)外學(xué)者針對氣體射流在液體工質(zhì)中的擴(kuò)展特性進(jìn)行了大量的實驗研究。Loth和Faeth[1-2]實驗測量了高壓氣體射流水下噴射過程中心軸線上壓力的分布以及時間平均空隙率。施紅輝[3-4]和王伯懿[5]研究了超聲速氣體射流的水下自由擴(kuò)展過程,通過測量射流內(nèi)部壓力分布,揭示了射流擴(kuò)展過程中的回?fù)衄F(xiàn)象。湯龍生[6]采用燃?xì)獍l(fā)生器和水下實驗系統(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。Weiland[7]通過高速錄像系統(tǒng)記錄了不同流速下的氣體射流在水下的自由擴(kuò)展過程,發(fā)現(xiàn)射流存在頸縮斷裂現(xiàn)象,并且其頸縮斷裂位置固定。Voropayev[8]實驗研究了受限射流擴(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,同時研究發(fā)現(xiàn)邊界條件的改變會影響壓力分布,并最終導(dǎo)致射流破碎。

在數(shù)值研究方面,許多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)報道。曹嘉怡[9]、甘曉松[10]和TANG Jia-ning[11]針對水下燃?xì)馍淞鲉栴},分別使用mixture和VOF兩相流模型模擬了燃?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。Rafferty[12]數(shù)值研究了二維條件下雙股平行射流在受限空間的擴(kuò)展情況,發(fā)現(xiàn)摻混現(xiàn)象主要存在于雙股射流之間,同時摻混劇烈程度與射流間距有關(guān)。余永剛[13-14]、齊麗婷[15]和莽珊珊[16-17]實驗和數(shù)值模擬研究了單股燃?xì)馍淞髟诓煌螤畛湟菏覂?nèi)燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展特性,并給出了詳細(xì)的流場結(jié)構(gòu)圖。薛曉春[18-19]針對雙股射流在圓柱形和圓柱漸擴(kuò)形充液室中的射流擴(kuò)展特性進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究,并給出了射流場區(qū)域的密度、壓力、速度和溫度分布云圖。

以上研究都以單股或雙股射流在自由流場或受限空間內(nèi)擴(kuò)展為研究對象,而未對周向均勻分布的多股貼壁射流在受限空間的擴(kuò)展特性進(jìn)行研究。本研究以全淹沒式水下火炮發(fā)射為背景,實驗研究周向均布多股貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱形充液室中的擴(kuò)展特性,在破膜噴射壓力為20 MPa,燃?xì)鉁囟葹?300～2400 K工況下,重點(diǎn)討論了噴孔個數(shù)分別為四個,六個和八個對多股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展形態(tài)的影響,以及噴孔個數(shù)為六的條件下,破膜噴射壓力分別為12,20 MPa和28 MPa對多股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展形態(tài)的影響。

2 實驗裝置與原理

圖1為實驗裝置示意圖,主要由高壓燃燒室、多孔噴嘴和圓柱形充液室組成。圖1b為A-A剖視圖,圖中分別示出四孔噴嘴、六孔噴嘴和八孔噴嘴。充液室為透明有機(jī)玻璃制成的Φ55 mm×150 mm的圓柱形結(jié)構(gòu),便于可視化研究,其內(nèi)部充滿液體工質(zhì),底部連接燃?xì)獍l(fā)生器。實驗系統(tǒng)的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,燃燒室內(nèi)壓力迅速升高,至破膜壓力沖破紫銅膜片,高溫高壓的燃?xì)膺M(jìn)入連接件,再通過多個導(dǎo)氣槽到狹縫形貼壁噴孔射入充滿液體工質(zhì)的透明充液室中形成多股貼壁燃?xì)馍淞?。燃?xì)馍淞髟趪姽艹隹谔帪槁曀倭?進(jìn)入充液室之后,快速衰減變成亞聲速流。實驗采用了數(shù)字高速錄像系統(tǒng)(拍攝頻率為4000 fps)記錄多股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中相互作用以及射流擴(kuò)展的過程。為了減少重力對Taylor空腔擴(kuò)展形態(tài)的影響,將此裝置豎直向上放置,即高溫高壓的燃?xì)庥扇紵蚁虏肯蛏蠂娚?充液室上端與大氣相連。實驗中選擇水作為液體工質(zhì)。

a. experimental device

b. A-A section view with 4,6,8 nozzles

圖1實驗裝置示意圖

1—點(diǎn)火電極, 2—速燃火藥, 3—高壓燃燒室, 4—紫銅膜片, 5—連接件, 6—多孔噴嘴, 7—狹縫形貼壁噴孔, 8—導(dǎo)氣槽, 9—充液室

Fig.1Schematic diagram of experimental device

1—ignition electrode, 2—deflagrating gunpowder, 3—high pressure chamber, 4—copper diaphragms, 5—connector,6—multi orifice nozzle, 7—narrow wall orifice, 8—air slot, 9—filling liquid chamber

實驗研究了破膜噴射壓力和噴孔個數(shù)對多股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展特性的影響。其中破膜噴射壓力通過改變裝藥量和紫銅膜片的厚度實現(xiàn)。通過更換多孔噴嘴,分別獲得四股射流、六股射流和八股射流的擴(kuò)展形態(tài)。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 多股貼壁燃?xì)馍淞髟诔湟菏抑械臄U(kuò)展過程

實驗中,噴孔采用紫銅膜片密封,用來得到足夠的破膜噴射壓力。現(xiàn)以八孔噴嘴為例,說明破膜噴射壓力為20 MPa時,八股貼壁燃?xì)馍淞?溫度約2300～2400 K)在圓柱形充液室中的擴(kuò)展特性,圖2顯示了其系列發(fā)展過程。

由圖2可以看出,當(dāng)八股貼壁燃?xì)馍淞鲝莫M縫貼壁噴孔剛進(jìn)入液體工質(zhì)時,八股貼壁射流兩兩之間是明顯分開的,同時射流頭部形態(tài)呈錐形。當(dāng)t=0.5 ms時,射流進(jìn)一步擴(kuò)展,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)[20]。隨著時間的推移,射流之間發(fā)生相互卷吸和干涉作用,邊界湍流摻混明顯。當(dāng)t=1.0 ms時,八股貼壁燃?xì)馍淞鏖g已經(jīng)看不到明顯的間隙,說明射流經(jīng)過徑向擴(kuò)展,相鄰射流之間已經(jīng)達(dá)到交匯。結(jié)合四股、六股(由于篇幅限制,相應(yīng)圖片未在文中列出)和八股射流擴(kuò)展過程的序列圖,可以發(fā)現(xiàn)四股貼壁射流擴(kuò)展后期,底部還殘留部分液體工質(zhì),在Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)[20]下,湍流摻混強(qiáng)烈。六股和八股射流擴(kuò)展過程中,底部均不能明顯觀察到殘留液體工質(zhì),可見六股和八股射流擴(kuò)展過程更加穩(wěn)定。同時從整個序列圖中可以看出,在八股貼壁射流擴(kuò)展的整個過程中,八股貼壁射流是基本對稱的。

3.2 不同參數(shù)對射流擴(kuò)展特性的影響

3.2.1 噴孔個數(shù)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多股Taylor空腔的頭部位移值,并取其平均值作為對應(yīng)工況下射流的軸向擴(kuò)展位移。圖3為相同破膜噴射壓力20 MPa下,噴孔個數(shù)分別為四、六和八個,多股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展位移及通過軸向位移獲得的軸向擴(kuò)展速度曲線。

由圖3a可以看出,噴孔個數(shù)從四孔增加到八孔,相同時刻射流軸向擴(kuò)展位移變小,t=5 ms時刻,從四孔增加到六孔,其軸向擴(kuò)展位移減少了8.3%,從六孔增加到八孔,減少了3.1%。由圖3b看出,噴孔個數(shù)從四孔增加到六孔,其軸向擴(kuò)展速度變小,從六孔增加到八孔,八孔噴嘴射流軸向擴(kuò)展速度在射流擴(kuò)展初始階段較小,衰減速率也比六孔噴嘴小,射流擴(kuò)展后,期其軸向擴(kuò)展速度比六孔噴嘴要大。結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),燃?xì)馍淞魇墙?jīng)過連接件再通過多個導(dǎo)氣槽分成多股射流,在破膜噴射壓力相同的情況下,八孔噴嘴條件下單股射流的初始能量最小,六孔噴嘴次之,四孔噴嘴條件下單股射流的初始能量最大,這與圖3中初始時刻的軸線擴(kuò)展速度大小順序相對應(yīng)。隨后,在射流擴(kuò)展過程中,由于噴孔面積不變,噴孔個數(shù)的增加會導(dǎo)致噴孔間距變小,射流間的干涉作用增強(qiáng),從而導(dǎo)致射流徑向湍動能增強(qiáng),軸向湍動能削弱,軸向擴(kuò)展速度衰減迅速。圖3中,六股射流和八股射流擴(kuò)展后期出現(xiàn)軸向擴(kuò)展速度曲線交叉現(xiàn)象,這是由于八孔噴嘴間隙進(jìn)一步變小,八股射流較早的匯聚在一起,使多股射流協(xié)同在軸向擴(kuò)展,以致后期八股射流軸向擴(kuò)展速度比六股射流大。

t=0t=0.25 mst=0.5 mst=0.75 mst=1.0 mst=1.5 mst=2.0 ms

t=2.5 mst=3.0 mst=3.5 mst=4.0 mst=4.5 mst=5.5 mst=6.5 ms

圖2八股貼壁射流在圓柱形充液室中擴(kuò)展的序列過程

Fig.2Sequence processes of eight wall jets expanding in cylindrical chamber

a. displacement

b. expansion velocity

圖3多股貼壁射流軸向擴(kuò)展位移及速度曲線

Fig.3The axial displacement and the axial expansion velocity curves of multiple wall jets vs time

通過處理多股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展序列圖獲得不同時刻的軸向位移數(shù)據(jù),利用一階指數(shù)衰減方程擬合出Taylor空腔軸向擴(kuò)展位移隨時間變化的規(guī)律。

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

式中,x(t)為Taylor空腔的軸向擴(kuò)展位移, mm;t為時間, ms;B0,B1,B2為Taylor空腔軸向位移隨時間變化的擬合參數(shù),如表1所示。

3.2.2 噴射壓力的影響

圖4為六孔噴嘴在破膜噴射壓力分別為12,20,28 MPa條件下,六股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展位移和軸向擴(kuò)展速度的曲線。從圖4可以看出,隨著燃?xì)馄颇娚鋲毫υ黾?燃?xì)馍淞髂芰吭鰪?qiáng),其軸向擴(kuò)展速度更快,射流到達(dá)充液室頂部的時間更短。t=5 ms時刻,燃?xì)馄颇毫?2 MPa增加到20 MPa,射流軸向擴(kuò)展速度增加了20.1%,從20 MPa增加到28 MPa,增加了19.9%,可見破膜噴射壓力對軸向擴(kuò)展速度的影響強(qiáng)烈,屬于非線性關(guān)系。Taylor空腔軸向位移隨時間變化的擬合參數(shù),如表2所示。

表1破膜壓力20 MPa下Taylor空腔軸向位移隨時間變化的擬合參數(shù)

Table1The fitting parameters for the axial displacement-time curves of Taylor cavity at blasting pressure of 20 MPa

numberoforificesB0B1B24272．2-271．210．46238．2-237．49．58289．3-28812．8

a. displacement

b. expansion velocity

圖4不同破膜噴射壓力下六股貼壁射流軸向擴(kuò)展位移及速度曲線

Fig.4The axial displacement and the axial expansion velocity curves of six wall jets under different pressures

表2六孔噴嘴下Taylor空腔軸向位移隨時間變化的擬合參數(shù)

Table2The fitting parameters for the axial displacement-time curves of Taylor cavity with 6 orifices

blastinginjectionpressure/MPaB0B1B212185．2-184．7 820238．2-237．4 9．528328．6-328．6 12．4

4 結(jié) 論

(1) 圓柱型充液室內(nèi),多股貼壁燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展時,由于氣液相間較大的速度和密度差,Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)強(qiáng)烈。同時由于多股貼壁射流在擴(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) 周向均布多股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展形態(tài)隨噴孔個數(shù)變化而變化: 噴孔個數(shù)從四孔增加到八孔,相同時刻射流軸向擴(kuò)展位移變小,t=5 ms時刻,從四孔增加到六孔,其軸向擴(kuò)展位移減少了8.3%,從六孔增加到八孔,減少了3.1%。初期射流軸向擴(kuò)展速度隨噴孔個數(shù)增加而減小,射流擴(kuò)展后期,八股射流平均軸向擴(kuò)展速度大于六股射流。

(3) 周向均布多股貼壁燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展形態(tài)隨破膜噴射壓力變化而變化: 破膜噴射壓力增大,射流軸向擴(kuò)展速度更快,射流軸向擴(kuò)展到達(dá)充液室頂部的時間變短。t=5 ms時刻,燃?xì)馄颇毫?2 MPa增加到20 MPa,射流軸向擴(kuò)展速度增加了20.1%,從20 MPa增加到28 MPa,增加了19.9%。

(4) 破膜噴射壓力在12 MPa到28 MPa范圍內(nèi),多股貼壁燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展位移-時間曲線均滿足經(jīng)驗公式x(t)=B0+B1e-t/B2

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