水下火炮氣幕式發(fā)射過程中燃氣射流與液體工質(zhì)相互作用特性研究

周良梁，余永剛，劉東堯，莽珊珊

（1.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210094）

水下火炮氣幕式發(fā)射過程中燃氣射流與液體工質(zhì)相互作用特性研究

周良梁1，余永剛1，劉東堯1，莽珊珊2

（1.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210094）

為了研究水下火炮氣幕式發(fā)射過程中燃氣射流與液體工質(zhì)相互作用的特性，設(shè)計了可視化模擬實驗裝置，采用高速錄像系統(tǒng)記錄了圓柱形充液室中彈丸運動及氣體與液體相互作用的過程特性，得到了彈丸速度與氣幕軸向擴展速度隨時間的變化關(guān)系。對比不同噴射參數(shù)條件下實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：彈丸運動速度隨著噴射壓力的增加而增加；氣幕減阻性能隨著斜面噴孔尺寸增大得到提升，彈丸運動速度隨之增大。在實驗基礎(chǔ)上，建立了彈丸運動條件下多股燃氣射流在液體介質(zhì)中擴展的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對實驗工況進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果中多股燃氣射流擴展過程與實驗結(jié)果一致；對比二者氣幕頂部軸向擴展位移值，可以發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實測值吻合較好。彈丸運動條件下氣幕生成的數(shù)值模型的建立，為水下火炮發(fā)射過程中身管內(nèi)氣幕生成及減阻機理分析提供了參考。

兵器科學(xué)與技術(shù)；水下火炮；水下氣幕；多股燃氣射流；氣體與液體相互作用；實驗研究；數(shù)值模擬

0 引言

傳統(tǒng)火炮水下發(fā)射通常采用密封式發(fā)射［1］或淹沒式發(fā)射［2］，然而這兩種發(fā)射方式存在一定局限性。

采用密封式發(fā)射時，彈丸出炮口后會產(chǎn)生液體倒灌現(xiàn)象，二次發(fā)射時通過額外氣源排出身管內(nèi)水介質(zhì)，并將炮口再次密封，這種發(fā)射方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且會影響火炮發(fā)射速度。采用淹沒式發(fā)射，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但水下發(fā)射過程中彈前阻力約為空氣中的800倍，膛壓較高，為了保證安全，彈丸初速往往較低。水下氣幕式發(fā)射是導(dǎo)彈水下發(fā)射采用的技術(shù)之一［3］，該技術(shù)通過燃氣生成水下氣幕，在導(dǎo)彈運動路徑上形成氣體通道，減小彈體運動過程中與環(huán)境介質(zhì)的摩擦阻力，能夠有效地提升導(dǎo)彈水下發(fā)射初速與發(fā)射深度［4-5］。為了實現(xiàn)淹沒式水下火炮高初速，本文結(jié)合導(dǎo)彈氣幕式發(fā)射原理，提出了水下火炮采用多股火藥燃氣射流在發(fā)射過程實時排水，在身管內(nèi)形成可供彈丸運動的氣體通道，從而大幅度減小彈丸運動阻力。

水下火炮氣幕生成過程，是一個典型的氣體與液體兩相相互作用問題，對于氣體射流水下氣體與液體相互作用問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。Weiland等［6］采用攝像技術(shù)研究了圓形射流入水過程中氣體與液體邊界動力學(xué)特性和氣體與液體作用穩(wěn)定性的關(guān)系。施紅輝等［7］與湯龍生等［8］對單股水下超聲速燃氣射流水下擴展過程進行了探討。LIU等［9］進一步對水下氣體射流三維模型進行了仿真，模擬了射流發(fā)展過程中氣泡分離與相互作用現(xiàn)象。薛曉春等［10］采用高速攝像技術(shù)，對雙股燃氣射流在充液室中的擴展特性進行了實驗觀測，并對觀察室邊界形狀對氣體射流擴展的影響進行了對比分析。Graaf等［11］對4股氣體射流在水下相互作用過程進行了實驗觀測，分析了4股射流相互作用的動力學(xué)特性。曹嘉怡等［12］采用計算流體力學(xué)軟件，結(jié)合自編UDF模塊模擬導(dǎo)彈出筒過程中，獲得了發(fā)射筒外燃氣入水后復(fù)雜的多相流動演化過程。王亞東等［13］采用可壓縮氣體模型，分析了氣體彈性對彈體運動的影響。在此基礎(chǔ)上，劉傳龍等［14］進一步分析了發(fā)射裝置適配器彈性對導(dǎo)彈發(fā)射過程彈體受力特性的影響。

基于氣幕式發(fā)射原理，本文設(shè)計了可視化模擬實驗裝置。為了了解彈丸運動過程中氣幕生成特性，采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析這種水下火炮新型發(fā)射方式氣體與液體相互作用特性。

1 實驗研究

1.1模擬實驗裝置

模擬裝置由燃燒室、模擬彈丸與觀察室3個部分組成，如圖1所示。觀察室通過螺紋結(jié)構(gòu)固連在燃燒室上，而模擬彈丸通過連接件與燃燒室連接。實驗開始時，脈沖電點火器放電，點燃燃燒室內(nèi)的裝藥，產(chǎn)生大量高溫高壓燃氣，當燃燒室壓力增大到一定閾值時，燃氣沖破模擬彈丸內(nèi)的密封膜片，通過噴孔噴入上方充液觀察室中；同時模擬彈丸與燃燒室間的連接機構(gòu)被剪斷，彈丸開始在觀察室內(nèi)運動。燃氣不斷通過彈前噴孔及側(cè)面噴孔噴出，形成多股燃氣射流，通過氣液摻混生成管內(nèi)氣幕。圖1中彈丸表面噴孔分布如圖2所示，彈丸表面有9個對稱分布噴孔，包括1個圓形中心噴孔，4個斜面圓形噴孔以及4個緊貼圓管的側(cè)壁矩形噴孔，界面L-L′面為對稱剖面。

圖1　實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實驗過程采用高速錄像設(shè)備記錄彈丸水下運動及多股燃氣射流水下擴展過程，利用壓力傳感器監(jiān)測實驗過程中壓力隨時間的變化規(guī)律。

圖2　模擬彈丸端面投影示意圖Fig.2 Transverse projection of simulated projectile

1.2實驗結(jié)果及討論

實驗中設(shè)計的模擬彈中心噴孔與斜面噴孔直徑均為1.5mm，側(cè)壁噴孔尺寸為1mm×3mm，燃燒室內(nèi)最大噴射總壓為8.1MPa.模擬彈丸運動以及多股燃氣射流充液室圓管中擴展過程如圖3所示，燃燒室內(nèi)總壓變化如圖4所示。

圖3　模擬彈丸運動過程中多股燃氣射流擴展序列圖Fig.3 Expansion processes of multi-combustion gas jets during motion of simulated projectile

由圖3可知:在0.5ms時，中心射流與斜面射流噴出，沿噴孔方向獨立擴展；在1.0ms時側(cè)面射流噴出，同時斜面射流受到壁面阻滯，擴展方向向軸向偏轉(zhuǎn)；在1.5～2.0ms時，斜面射流與側(cè)壁射流開始匯聚生成側(cè)面射流；在2.0ms之后4股側(cè)面射流開始匯聚，生成管內(nèi)氣幕，氣幕生成后射流頂部由于Taylor不穩(wěn)定性作用，氣幕中心形成突起，隨著射流的軸向擴展，中心突起軸向尺寸逐漸增大。

由圖4可以看出:點火后燃燒室內(nèi)壓力急劇上升；之后隨著多股射流的噴射與彈丸的運動，燃燒室內(nèi)壓力迅速下降。

由多股射流擴展圖片可以處理得到多股射流Taylor空腔頂部軸向擴展速度與彈丸軸向運動速度，分別如圖5、圖6所示。

圖4　燃燒室內(nèi)壓力-時間曲線Fig.4 p-t curve in combustion chamber

圖5　氣幕軸向擴展速度-時間曲線Fig.5 v-t curve of gas curtain axial expansion

由圖5可知:射流發(fā)展初始階段，在2.0ms之前，多股射流之間沒有完成摻混，此時射流最前端為中心射流頭部，推動充液圓管中水運動的能量主要由中心射流提供，射流擴展規(guī)律與單股射流相似，射流出噴孔后軸向擴展能力逐漸降低，軸向擴展速度不斷減??；在2.0ms之后，隨著氣幕的生成，多股燃氣射流軸向擴展能力逐漸提升，氣幕軸向擴展速度上升趨勢增大；在5.0ms之后，隨著燃燒室內(nèi)燃氣噴出以及彈丸運動的影響，燃燒室內(nèi)噴射壓力減小，射流頂部軸向擴展速度上升趨勢減弱。

圖6　模擬彈丸速度-時間曲線Fig.6 v-t curve of simulated projectile

由圖6可以看出，彈丸運動速度呈波動上升趨勢，最終隨著燃燒室內(nèi)噴射壓力減小，彈丸加速過程減緩，彈丸最終軸向運動速度趨于穩(wěn)定。

1.3噴射參數(shù)的影響

為了解模擬發(fā)射過程中噴射壓力改變對模擬彈丸運動的影響，通過改變裝藥量得到了不同的最大噴射壓力。圖7為不同壓力條件下，模擬彈丸運動速度變化。由圖7可知，隨著噴射壓力的增加，模擬彈丸運動速度隨之提高。以時間20ms為例，2.2MPa壓力條件下，彈丸運動速度為3.8m/s，當壓力提高到4.4MPa時，彈丸運動速度提高到5.8m/s.

圖7　不同壓力下彈丸速度-時間曲線Fig.7 v-t curves of projectile under different pressures

為了分析噴射結(jié)構(gòu)對發(fā)射過程的影響，設(shè)計了3種具有不同噴孔尺寸的模擬彈丸，噴孔尺寸見表1.圖8對比了3種模擬彈丸在最大噴射總壓為8.1MPa條件下運動速度曲線。結(jié)合表1與圖8可以看出:B型彈丸在增大中心噴孔尺寸后，增加了噴出的氣體量，但也加速了燃燒室內(nèi)壓力下降，因此初始階段彈丸速度減小，但由于氣體量的增加提升了氣幕的整體排水性能，因此A、B兩種模擬彈丸最終運動速度較為接近；C型彈丸在B型彈丸基礎(chǔ)上增大了斜面噴孔尺寸，雖然也加速了壓力下降，但增加壁面處氣體流量使得燃氣射流的排水性能進一步提升，因此彈丸整個過程中彈丸運動速度得到提升。

表1　3種噴頭結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure sizes of three sprayers

圖8　不同噴孔尺寸下彈丸速度-時間曲線Fig.8 v-t curves of projectiles with different nozzle sizes

2 數(shù)值模擬

2.1計算模型

結(jié)合多股燃氣射流在液體工質(zhì)中擴展的實驗結(jié)果，針對多股燃氣射流水下擴展過程，采用如下簡化假設(shè):

1）將氣體與液體相互作用視為三維非穩(wěn)態(tài)過程處理；

2）燃氣為理想可壓氣體，計算過程中不考慮燃氣組分的變化；

3）采用k-ε湍流模型描述射流發(fā)展過程中氣體與液體湍流摻混；

4）物性參數(shù)取平均值。

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)簡化假設(shè)，結(jié)合Navier-Stokes方程，VOF模型和k-ε湍流方程建立數(shù)學(xué)模型可以得到:

1）連續(xù)性方程

式中:ρ總密度；v為速度矢量。

燃氣組分連續(xù)性方程

式中:δg為燃氣組分體積分數(shù)，δg=1-δl，δl為液體工質(zhì)體積分數(shù)。流體的總密度根據(jù)氣體與液體兩相分布確定ρ=δgρg+δlρl，ρg為燃氣密度，燃氣為理想可壓氣體，氣體密度根據(jù)氣體方程確定ρg=p/RgT，ρl為液體工質(zhì)密度，實驗中液體工質(zhì)為水，計算過程作為不可壓流體處理，p為壓力，Rg為氣體常數(shù)，T為溫度。

2）動量方程

式中:μ為粘度系數(shù)；g為重力矢量。

3）能量方程

式中:Εi為第i相流體總能；keff為混合物有效傳熱系數(shù)；xi、xj為坐標的矢量，i、j為自由指標；vi為速度矢量。

4）k-ε湍流方程

式中:μt為湍動粘度系數(shù)；ε為湍流耗散度；Gk、Gb、YM為湍動能系數(shù)；σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

2.3計算網(wǎng)格

根據(jù)實驗裝置可以看出噴頭表面噴孔對稱分布，可以認為4個側(cè)壁噴孔與4個斜面噴孔分布具有相同的噴射條件，而中心射流沿中心軸線擴展，因此選取觀察室1/4區(qū)域作為計算區(qū)域，取膜片處作為壓力入口，如圖9所示。圖9中計算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為60萬，經(jīng)檢驗該網(wǎng)格符合網(wǎng)格收斂性要求。

圖9　計算區(qū)域示意圖Fig.9 Schematic diagram of computational domain

2.4計算結(jié)果與分析

針對上述實驗工況進行數(shù)值模擬，入口壓力根據(jù)實驗結(jié)果擬合。針對上述實驗工況進行數(shù)值模擬，入口壓力根據(jù)實驗結(jié)果擬合。由于實驗過程中火藥燃燒產(chǎn)生的燃氣需要達到預(yù)設(shè)破膜壓力值，燃氣才開始噴射。燃燒室噴射總壓可以近似擬合關(guān)系式為ptot=（0.2+7.9e-t/0.004）MPa，t為時間（s）。燃氣總溫取為2000K.圖10為模擬彈丸運動過程中氣體與液體組分時空分布。

圖10　氣體與液體組分時空分布圖Fig.10 Spatial and temporal distribution of gas-liquid component

由圖10可以看出:在0.5ms前中心射流與斜面射流沿噴孔獨立擴展，氣體與液體界面較為光滑；在1.0ms時由于斜面射流撞擊壁面，氣體與液體界面出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生氣體與液體卷吸，同時側(cè)壁射流出現(xiàn)，側(cè)壁射流貼壁發(fā)展，表面產(chǎn)生褶皺；在1.5～2.0ms時，側(cè)壁射流與斜面射流匯聚生成貼壁發(fā)展的側(cè)面射流；隨著側(cè)面射流的徑向發(fā)展，在2.5ms時，側(cè)面射流在射流下游開始匯聚，形成貼壁的環(huán)狀氣幕；隨著彈丸的運動與射流的發(fā)展，氣幕范圍向下游擴展，隨著側(cè)面射流的匯聚，多股射流和氣體與液體界面產(chǎn)生湍流摻混作用，在射流匯聚區(qū)出現(xiàn)大量液體卷吸。對比數(shù)值模擬氣體與液體組分分布和實驗照片，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中多股射流發(fā)展序列過程與實驗基本一致。

結(jié)合氣幕形態(tài)，可以得到氣幕頂部位移隨時間變化，如圖11所示。對比計算結(jié)果與實測值，可以看出二者吻合較好，計算模型具有一定合理性。

圖11　氣幕頂部擴展位移計算值與實測值對比Fig.11 Comparison of calculated and measured values of gas-curtain displacement

3 結(jié)論

根據(jù)本文的模擬實驗和數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論:

1）實驗結(jié)果表明:通過多股燃氣射流與管內(nèi)液體工質(zhì)的摻混作用，可實現(xiàn)模擬彈丸運動條件下管內(nèi)氣幕的生成，從而為水下火炮氣幕發(fā)射方式奠定了基礎(chǔ)。

2）通過改變噴射參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn):隨著噴射壓力的增加，彈丸運動速度隨之增加；增大斜面噴孔尺寸，氣幕排水減阻性能提升，彈丸運動速度增大。

3）模擬結(jié)果表明，多股燃氣射流序列擴展過程與形態(tài)與實測結(jié)果基本一致，計算獲得的射流頂端軸向擴展位移與實驗結(jié)果吻合較好，計算模型具有一定合理性。

（References）

［1］ 孔德仁，王昌明，柳光遼，等.水下槍械內(nèi)彈道基本方程組及其設(shè)計［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，1999，23（3）:9-12. KONG De-ren，WANG Chang-ming，LIU Guang-liao，et al.Fundamental equations of underwater gun's interior trajectory and it's design［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，1999，23（3）:9-12.（in Chinese）

［2］ 劉育平，李金新，楊臻，等.水下炮內(nèi)彈道分析與數(shù)值仿真［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報.2007，28（4）:30-33. LIU Yu-ping，LI Jin-xin，YANG Zhen，et al.Interior ballistics analysis and numerical simulation of underwater gun［J］.Journal of Gun Launch and Control，2007，28（4）:30-33.（in Chinese）［3］ Yagla J.Waterpiercing missile launcher，PAT-APPL-09812-270［R］.Washington DC，US:Department of the Navy，2001.

［4］ Weiland C，Vlachos P，Yagla J.Concept analysis and laboratory observations on a water piercing missile launcher［J］.Ocean Engineering，2010，37（11）:959-965.

［5］ Yagla J，John B，Koski S.Launch dynamics environment of a water piercing missile launcher［C］∥24th International Symposium on Ballistics.New Orleans，Louisiana:International Ballistics Committee，2008.

［6］ Weiland C，Vlachos P.Round gas jets submerged in water［J］. International Journal of Multiphase Flow，2013，48:46-57.

［7］ 施紅輝，汪劍鋒，陳帥，等.水下超聲速氣體射流初期流場特性的實驗研究［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2014，44（3）: 233-237. SHI Hong-hui，WANG Jian-feng，CHEN Shuai，et al.Experimental study on flow characteristics at the initial injection stage of underwater supersonic gas jets［J］.Journal of University of Science and Technology of China，2014，44（3）:233-237.（in Chinese）

［8］ 湯龍生，劉宇，吳智鋒，等.水下超聲速燃氣射流氣泡的生長及壓力波傳播特性實驗研究［J］.推進技術(shù)，2011，32（3）: 417-420. TANG Long-sheng，LIU Yu，WU Zhi-feng，et al.Experimental study on characteristics of bubble growth and pressure wave propagation by supersonic gas jets under water［J］.Journal of Propulsion Technology，2011，32（3）:417-420.（in Chinese）

［9］ LIU J T，QIN S T，MIAO T C，et al.Three-dimensional numerical simulation of air exhausted from submerged nozzles［J］.IOP Conference Series:Materials Science and Engineering，2015，72（4）:042038.

［10］ 薛曉春，余永剛，張琦，等.漸擴邊界形狀對雙股燃氣射流擴展特性影響的實驗研究［J］.彈道學(xué)報，2013，25（2）:44-47. XUE Xiao-chun，YU Yong-gang，ZHANG Qi，et al.Experimental study on effects of stepped-wall boundary on expansion characteristic of twin combustion-gas Jets［J］.Journal of Ballistics，2013，25（2）:44-47.（in Chinese）

［11］ Graaf K L，Brandner P A，Penesis I.Bubble dynamics of a seismic airgun［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，55:228-238.

［12］ 曹嘉怡，魯傳敬，陳鑫，等.導(dǎo)彈水下熱發(fā)射出筒過程流動特性［J］.固體火箭技術(shù).2011，34（3）:281-284. CAO Jia-yi，LU Chuan-jing，CHEN Xin，et al.Flow behavior during uncorking process of an underwater hot-launched missile［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2011，34（3）:281-284.（in Chinese）

［13］ 王亞東，袁緒龍，張宇文，等.氣泡彈性對同心筒水下發(fā)射影響研究［J］.計算力學(xué)學(xué)報.2013，30（2）:313-318. WANG Ya-dong，YUAN Xu-long，ZHANG Yu-wen，et al.On the effect of bubble elasticity to sub-launch process using concentric canister launcher［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，2013，30（2）:313-318.（in Chinese）

［14］ 劉傳龍，張宇文，王亞東，等.考慮適配器彈性的潛射導(dǎo)彈出筒載荷特性研究［J］.兵工學(xué)報.2015，32（2）:379-384. LIU Chuan-long，ZHANG Yu-wen，WANG Ya-dong，et al.Investigation into load characteristics of submarine-launched missile being ejected from launch tube considering the adapter elasticity［J］.Acta Armamenrii，2015，32（2）:379-384.（in Chinese）

Research on Gas-liquid Interaction Characteristics during the Gas Curtain Launching Process of Underwater Gun

ZHOU Liang-liang1，YUYong-gang1，LIU Dong-yao1，MANG Shan-shan2
（1.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Science，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

A visualization simulator is designed to understand the characteristics of interaction between combustion gas jet and liquid medium during the gas-curtain launching process of underwater gun.A high speed video camera system is used to record the motion of projectile in a cylindrical liquid-filled chamber and the gas-liquid interaction process.The flying velocity of projectile and the axial expanding speed of gas curtain are acquired in experiment.Experimental results show that the projectile velocity increases with the increase in injection pressure.With the increase in sizes of oblique nozzles，the drag reduction property of gas curtain is improved，and the projectile velocity is also increased.On the base of experimental study，an unsteady three-dimensional mathematical model is developed to simulate the expansion of multi-combustion gas jets in liquid medium.And a numerical simulation is carried out.The simulated expansion process of the multi-gas jets is consistent with the experimental result，and the axial displace-ment of simulated gas curtain is in a good agreement with the experiment data.The proposed numerical model provides a reference for the analysis of generation mechanism of gas curtain during launching.

ordnance science and technology； underwater gun； underwater gas curtain； multi-combustion gas jet； gas-liquid interaction； experimental study； numerical simulation

TJ399

A

1000-1093（2016）08-1373-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.005

2015-11-18

國家自然科學(xué)基金項目（11372139）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目（PYLX15-0391）

周良梁（1989—），男，博士研究生。E-mail:zllnjust@163.com；余永剛（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:yyg801@njust.edu.cn