等離子射流與漸擴(kuò)邊界中液體工質(zhì)相互作用特性的模擬實(shí)驗(yàn)*

張 琦，余永剛，陸 欣，劉東堯

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

電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)中等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子射流既是完成能量轉(zhuǎn)化的工作介質(zhì)，也是發(fā)射藥化學(xué)能釋放的點(diǎn)火源，因此脈沖等離子射流的特性及其與發(fā)射藥的相互作用機(jī)理是電熱化學(xué)發(fā)射中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-4］。以液體工質(zhì)電熱化學(xué)發(fā)射為工程背景，K.K.Kuo 等［5］利用高速攝影和脈沖X 光照相研究了等離子體射流和液體之間的相互作用過程，給出了等離子體射流在液體中形成的Taylor 空腔擴(kuò)展過程以及等離子體的強(qiáng)度分布規(guī)律。A.Arensburg 等［6］采用陰影成像技術(shù)研究了等離子體射流在水中的連續(xù)膨脹過程，定量研究了射流的運(yùn)動(dòng)速度以及兩相作用面上液體卷吸的質(zhì)量流量和液體卷吸形成液滴的過程。周彥煌等［7］研究了等離子射流與圓柱形觀察室內(nèi)的液體工質(zhì)的相互作用特性。

在整裝式液體工質(zhì)電熱化學(xué)炮中，由于Taylor 空腔的發(fā)展及Helmholtz 不穩(wěn)定效應(yīng)的激勵(lì)，其擴(kuò)展過程隨機(jī)脈動(dòng)性較大，進(jìn)而影響到液體工質(zhì)電熱化學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性，為此R.L.Talley 等［8］提出利用邊界形狀來(lái)約束Taylor 空腔的發(fā)展思路。余永剛等［9］研究了圓柱形和圓柱漸擴(kuò)形2 種觀察室中等離子射流與液體工質(zhì)的相互作用問題。本文中在此基礎(chǔ)上，針對(duì)2 種圓柱漸擴(kuò)型觀察室，研究不同放電電壓、不同噴口直徑、不同漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)下等離子射流與液體工質(zhì)的相互作用特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由等離子發(fā)生器、脈沖功率源和觀察室組成。等離子發(fā)生器包括1 個(gè)毛細(xì)管、1 對(duì)電極以及毛細(xì)管外的絕緣體、金屬殼體。通過對(duì)該毛細(xì)管大功率放電使毛細(xì)管材料燒蝕、電離形成等離子體，將電能轉(zhuǎn)化成熱能。實(shí)驗(yàn)采用的毛細(xì)管是長(zhǎng)73 mm、內(nèi)徑6 mm 的聚乙烯管，兩端通過電極連接到脈沖功率源，其中陽(yáng)極端保持密封，陰極端開孔作為等離子體流出通道，并與觀察室相連。脈沖功率源由電容儲(chǔ)能的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)組成，毛細(xì)管作為該放電回路的負(fù)載，如圖2 所示。儲(chǔ)能電容器組的容量為46.5 μF，電感器電感為35 μH，可以通過對(duì)電容器組的充電電壓和放電回路參數(shù)來(lái)調(diào)整等離子體的輸出強(qiáng)度。為保證放電回路的可靠放電，在放電開始時(shí)用細(xì)的金屬電爆炸絲將陽(yáng)極和陰極連接起來(lái)，電流首先使金屬絲電爆炸形成等離子體，然后再燒蝕毛細(xì)管壁面材料。陰極噴嘴預(yù)先用金屬膜片密封，防止液體倒流，并使毛細(xì)管內(nèi)等離子射流達(dá)到一定壓力才開始噴射。觀察室為圓柱漸擴(kuò)型，由透明有機(jī)玻璃制成，內(nèi)部充滿液體模擬工質(zhì)，考慮到安全性，選用密度和粘度與液體藥相近的水作為模擬工質(zhì)。為防止等離子射流在液體工質(zhì)中膨脹、擴(kuò)展時(shí)壓力過大而損壞觀察室，觀察室頂端開口與大氣相通。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus

圖2 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電路圖Fig.2 Pulse-forming network setup

為消除重力對(duì)射流結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)裝置垂直放置，等離子體豎直向上噴射。實(shí)驗(yàn)中采用FASTCAM-ultima APX 數(shù)字高速錄像系統(tǒng)記錄等離子射流與液體相互作用過程，同時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的壓力采用CY-YD-205 型壓電式壓力傳感器測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中使用2 種圓柱漸擴(kuò)型觀察室，總長(zhǎng)均為98 mm。第1 種觀察室共4 級(jí)，第1 級(jí)直徑D=18 mm，以后每級(jí)直徑比前1 級(jí)增加12 mm，1 ～3 級(jí)長(zhǎng)L 均為20 mm，第4 級(jí)長(zhǎng)為38 mm;第2 種觀察室共3 級(jí)，前3 級(jí)直徑與第1 種的前3 級(jí)直徑相同，但前2 級(jí)長(zhǎng)L 變?yōu)?0 mm。將等離子發(fā)生器固定在工作臺(tái)上與脈沖形成網(wǎng)絡(luò)連接，將圓柱漸擴(kuò)型觀察室與等離子發(fā)生器相連。準(zhǔn)備完畢后對(duì)電容器組充電，達(dá)到需要的電壓值后切斷電源，再啟動(dòng)觸發(fā)間隙放電開關(guān)進(jìn)行放電。

針對(duì)4 級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室，在放電電壓Uc=2 500 V，噴嘴直徑d0=2.0 mm 工況下，由壓電測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)出該毛細(xì)管內(nèi)典型p-t 曲線，如圖3 所示。由圖3 可知，在放電階段，毛細(xì)管內(nèi)的壓力迅速增大，膜片破裂后壓力迅速下降。實(shí)驗(yàn)表明放電電壓越高，毛細(xì)管內(nèi)的最大壓力越大，毛細(xì)管內(nèi)的壓力增長(zhǎng)和衰減也越大。

2.1 等離子體射流在液體中擴(kuò)展的典型過程

圖4 是Uc=2 700 V，d0=2.0 mm 時(shí)，等離子體射流在漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)因子ΔD/L=0.4 時(shí)的圓柱漸擴(kuò)型觀察室中擴(kuò)展的序列過程。其中ΔD 為每級(jí)圓柱臺(tái)階直徑增量，L 為對(duì)應(yīng)臺(tái)階的長(zhǎng)度。

從圖4 中可以看出，漸擴(kuò)邊界對(duì)等離子體射流在液體工質(zhì)中擴(kuò)展時(shí)形成的Taylor 空腔有徑向誘導(dǎo)作用，Taylor空腔將沿著漸擴(kuò)邊界逐級(jí)擴(kuò)展，在漸擴(kuò)處會(huì)發(fā)生回流卷吸現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到Taylor 空腔前端等離子體與液體間的傳熱效應(yīng)較強(qiáng)，氣液界面處由電爆炸絲及電極形成的金屬等離子體以及毛細(xì)管等離子體被迅速冷卻形成黑色物質(zhì)，如圖4 中t=4.5 ms 時(shí)所示。此外，Taylor 空腔擴(kuò)展過程中，前端面受到液體的壓縮作用，軸向位移增量逐漸變小。當(dāng)噴嘴直徑縮小到d0=1.5 mm 時(shí)，Taylor 空腔前端面甚至?xí)霈F(xiàn)“倒退”，典型過程如圖5 所示(Uc=2 700 V，d0=1.5 mm，ΔD/L=0.4)，相應(yīng)的軸向位移x 與時(shí)間t 的關(guān)系如圖6 所示。從波動(dòng)力學(xué)和湍流力學(xué)理論來(lái)看，Taylor 空腔在漸擴(kuò)邊界的液體工質(zhì)中擴(kuò)展時(shí)將產(chǎn)生復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)，經(jīng)不同邊界面反射形成“稀疏”或“壓縮”作用，決定了前端面邊界的發(fā)展?fàn)顩r及位移特征。此外，Taylor 空腔在擴(kuò)展過程中，由于Taylor-Helmholtz 不穩(wěn)定效應(yīng)，Taylor空腔擴(kuò)展到某一位置時(shí)，前端面及其不穩(wěn)定。由于湍流耗散效應(yīng)，此時(shí)Taylor 空腔前端的等離子射流動(dòng)能幾乎耗盡，而Taylor 空腔上游液體的壓力較大，于是就出現(xiàn)了位移增量減小的現(xiàn)象。當(dāng)噴嘴直徑較小時(shí)，等離子射流動(dòng)能也就較小，在液體靜壓的作用下某時(shí)刻Taylor 空腔前端面就出現(xiàn)了“倒退”。當(dāng)放電電壓較大時(shí)，等離子射流動(dòng)能變大，在觀察窗尺度范圍內(nèi)，Taylor 空腔前端面等離子射流動(dòng)能未耗盡，就不會(huì)出現(xiàn)“倒退”現(xiàn)象。

圖3 毛細(xì)管內(nèi)的p-t 曲線圖Fig.3 p-t curve in capillary

圖4 等離子體射流的典型擴(kuò)展過程(ΔD/L=0.4)Fig.4 Plasma jet propagation in liquid medium(ΔD/L=0.4)

圖5 Taylor 空腔擴(kuò)展過程Fig.5 Propagation of Taylor cavity

圖6 等離子體射流前端面軸向擴(kuò)展的x-t 曲線Fig.6 Axial x-t curve of plasma jet

圖7 不同放電電壓下的x-t 曲線Fig.7 x-t curves at different discharge voltages

2.2 放電電壓對(duì)等離子射流在液體工質(zhì)中擴(kuò)展特性的影響

Uc分別為2 500、2 700 和3 000 V 時(shí)，Taylor 空腔在圓柱漸擴(kuò)型觀察室中擴(kuò)展的軸向位移與時(shí)間的關(guān)系如圖7 所示，其中d0=2 mm，ΔD/L=0.4。

由圖7 可知，在相同時(shí)刻，放電電壓越大，Taylor 空腔的軸向擴(kuò)展位移越大。Uc分別為2 500、2 700、3 000 V 時(shí)，Taylor 空腔擴(kuò)展到第2 級(jí)臺(tái)階(x=30 mm)所用時(shí)間分別為1.3、0.99、0.76 ms;擴(kuò)展到第3級(jí)臺(tái)階(x=60 mm)所用時(shí)間分別為2.57、2.50、2.16 ms。說(shuō)明等離子射流動(dòng)能越大，其軸向擴(kuò)展能力越強(qiáng)，但由于Taylor-Helmholtz 不穩(wěn)定效應(yīng)，Taylor 空腔軸向擴(kuò)展位移具有波動(dòng)性。

2.3 噴嘴直徑對(duì)等離子體射流在液體工質(zhì)中擴(kuò)展特性的影響

當(dāng)放電電壓不變，即Uc=2 700 V 時(shí)，僅改變噴嘴直徑，分別為2.0 和1.5 mm，觀察Taylor 空腔在觀察室(ΔD/L=0.4)中擴(kuò)展的軸向位移和速度變化特性，如圖8 ～9 所示。

圖8 不同噴嘴直徑下的x-t 曲線Fig.8 x-t curves at different nozzle diameters

從圖8 中可以看出，在Taylor 空腔擴(kuò)展到34 mm之前，d0=1.5 mm 時(shí)的Taylor 空腔軸向擴(kuò)展位移略大，這是由于噴嘴變小時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)的最高壓力變大，使初始一段時(shí)間噴嘴較小的Taylor 空腔軸向擴(kuò)展速度較大，Taylor 空腔與液體工質(zhì)的接觸面積與其自身的體積比將增大，Taylor 空腔中單位體積流體的彌散增強(qiáng)，Taylor 空腔沿軸向速度衰減增大，使得x=34 mm，d0=2.0 mm 時(shí)的Taylor 空腔的軸向位移逐漸大于d0=1.5 mm 時(shí)的位移。從圖8中還可以看出噴嘴直徑較大時(shí)，Taylor 空腔前端出現(xiàn)“倒退”現(xiàn)象的時(shí)間將后移。d0分別為2.0、1.5 mm時(shí)，Taylor 空腔擴(kuò)展到第2 級(jí)臺(tái)階時(shí)所用的時(shí)間分別為1.03、0.97 ms;擴(kuò)展到第3 級(jí)臺(tái)階時(shí)所用的時(shí)間分別為2.55、3.50 ms。從圖9 中可看出，Taylor 空腔軸向擴(kuò)展速度具有波動(dòng)性。

2.4 漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)因子ΔD/L 對(duì)等離子體射流在液體工質(zhì)中擴(kuò)展特性的影響

為了觀察漸擴(kuò)臺(tái)階長(zhǎng)度和直徑對(duì)等離子射流擴(kuò)展過程的影響，采用2 種總長(zhǎng)一樣的觀察室，一個(gè)為3 級(jí)，另一個(gè)為4 級(jí)，其目的是:(1)在漸擴(kuò)直徑相同的條件下，選取臺(tái)階長(zhǎng)度不同，觀測(cè)Taylor 空腔擴(kuò)展形態(tài)的變化;(2)在第4 級(jí)，一個(gè)臺(tái)階直徑增大，另一個(gè)不變，觀測(cè)Taylor 空腔擴(kuò)展形態(tài)的變化。綜合兩者，體現(xiàn)了ΔD/L 這一參數(shù)變化對(duì)Taylor 空腔擴(kuò)展形態(tài)的影響。圖10 顯示ΔD/L 分別為0.4 和0.6時(shí)，Taylor 空腔的軸向擴(kuò)展位移與時(shí)間的關(guān)系曲線，其中Uc=2 600 V，d0=2.0 mm。

由圖10 可見，在距離噴口20 mm 范圍內(nèi)，兩者擴(kuò)展位移幾乎一樣，但超過20 mm 后，ΔD/L=0.6的擴(kuò)展位移比ΔD/L=0.4 的小。這是由于x=20 mm處是觀察室(ΔD/L=0.6)第2 級(jí)臺(tái)階的漸擴(kuò)處，漸擴(kuò)邊界誘導(dǎo)Taylor 空腔徑向脈動(dòng)效應(yīng)，使得Taylor 空腔的徑向湍動(dòng)能增大，從而削弱了Taylor 空腔軸向湍動(dòng)能，因此Taylor 空腔軸向位移擴(kuò)展變慢，此時(shí)針對(duì)ΔD/L=0.4 的觀察室，其第1 級(jí)長(zhǎng)度為30 mm，不存在漸擴(kuò)效應(yīng)。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)因子ΔD/L 為0.6、0.4 時(shí)，Taylor 空腔擴(kuò)展到x=30 mm 時(shí)，所用時(shí)間分別為1.04、0.97 ms，相應(yīng)的瞬時(shí)速度為25.2、29.6 m/s。當(dāng)x=50 mm，擴(kuò)展所用時(shí)間分別為2.58、1.92 ms，相應(yīng)的瞬時(shí)速度為9.55、14.09 m/s。

圖9 不同噴嘴直徑下的v-t 曲線Fig.9 v-t curves at different nozzle diameters

圖10 不同ΔD/L 時(shí)的x-t 曲線Fig.10 v-t curves at different divergent ratios

3 結(jié) 論

在本文的實(shí)驗(yàn)工況下，可得出如下結(jié)論:

(1)等離子射流在圓柱漸擴(kuò)邊界的液體工質(zhì)中擴(kuò)展時(shí)，Taylor 空腔軸向速度具有波動(dòng)性，總體上呈衰減趨勢(shì)。由于受到臺(tái)階徑向誘導(dǎo)作用，Taylor 空腔在漸擴(kuò)處會(huì)出現(xiàn)回流卷吸現(xiàn)象。Taylor 空腔在擴(kuò)展過程中，前端面可能會(huì)出現(xiàn)“倒退”現(xiàn)象。

(2)放電電壓越大，Taylor 空腔的軸向擴(kuò)展位移越大，軸向擴(kuò)展速度也越大。

(3)噴嘴直徑較大時(shí)，Taylor 空腔軸向擴(kuò)展位移、擴(kuò)展速度總體上相對(duì)較大。Taylor 空腔出現(xiàn)“倒退”的現(xiàn)象推遲。

(4)漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)因子ΔD/L 越大，漸擴(kuò)形邊界對(duì)Taylor 空腔徑向擾動(dòng)的影響越大，Taylor 空腔軸向擴(kuò)展位移的增量就越小。

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