圓柱形充液室中4股貼壁燃氣射流擴展特性的實驗研究*

胡志濤，余永剛

(南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094)

圓柱形充液室中4股貼壁燃氣射流擴展特性的實驗研究*

胡志濤，余永剛

(南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094)

為了探索高溫高壓周向均布4股貼壁燃氣射流在受限空間中的擴展特性，設計了貼壁燃氣射流在圓柱形充液室內擴展的實驗裝置，借助數字高速錄像系統，觀察了4股貼壁燃氣射流在充液室中的擴展過程，發現由Kelvin-Helmholtz不穩定性引起的表面不規則一直存在于整個射流擴展過程；通過處理拍攝記錄的射流擴展序列圖，獲得不同時刻射流擴展的軸向和徑向位移;對比了不同破膜噴射壓力和噴孔結構參數對4股貼壁燃氣射流擴展過程的影響。實驗結果表明：噴孔面積越大，貼壁射流初期軸向擴展速度越大，但由于徑向擴展達到交匯的時間較早，湍流摻混和干涉強烈，衰減也越快；破膜噴射壓力越高，射流徑向擴展到達交匯的時間越短;破膜噴射壓力從12 MPa升高到20 MPa，射流軸向擴展速度大幅增加，氣液湍流摻混效應增強。

流體力學；擴展特性；湍流摻混；燃氣射流；氣液相互作用

潛艇作為武器發射的水下平臺，具有機動靈活和隱蔽性好等優點，極大地提升了海上武器系統的作戰效能。其潛射導彈水下發射過程中，噴出的高溫高壓燃氣與周圍水介質發生強烈的相互作用，其間伴隨一系列復雜的物理現象，如激波、氣水摻混、換熱、相變等。對水下自由射流的擴展特性已進行了相關研究。E.Loth等[1-2]通過大量實驗獲得水下自由燃氣射流中心軸線上壓力的時空分布特性，并數值研究了其多相流動過程。Chen Yongsheng等[3-4]、甘曉松等[5]和Tang Jianing等[6]針對水下燃氣射流問題，分別采用不同的數值方法模擬了燃氣射流擴展過程，并揭示了射流的頸縮、斷裂和回擊現象。施紅輝等[7]對高壓氣體射流水下自由擴展過程進行了可視化實驗研究，并對射流壓力場進行了詳細的測量，發現超聲速氣體射流擴展過程的流體振蕩與射流氣相介質中的激波反饋現象有關。湯龍生等[8]采用燃氣發生器和水下實驗系統，研究了水下超聲速燃氣射流的氣泡生長及演變過程，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中的衰減規律。C.Weiland等[9]利用高速錄像系統記錄了不同馬赫數下水下自由燃氣射流的擴展過程，發現了回擊現象，認為該回擊現象是一種激波反饋現象。

針對全淹沒水下火炮發射方式，考慮到水下發射過程中，由于身管內充滿水，彈前有很長一段水柱，彈前阻力與空氣相比增大了1 000倍，導致水下火炮內彈道特性發生突變，膛壓陡增，嚴重時會出現膛炸事故。本文中提出一種新方法，即：在彈丸運動的同時，通過發射身管內壁表面噴出多股燃氣射流，實時排出身管中彈前水柱。這屬于圓管內受限射流與液體的相互作用問題，對該問題學者們已進行了大量的研究。S.I.Voropayev等[10]實驗研究了受限射流擴展過程，發現射流擴展后期出現周期性震蕩，并獲得其震蕩頻率，同時研究發現邊界條件的改變會影響壓力分布，并最終導致射流破碎。D.Liberzon等[11]針對受限射流湍流擴散過程中出現的斷裂現象，通過實驗研究驗證了受限空間存在反向壓力梯度，最終導致斷裂發生，并根據數值模擬中壓力分布特性的分析補充說明了這一結論。Yu Yonggang等[12-13]、齊麗婷等[14]和莽珊珊等[15-16]針對單股燃氣射流與液體工質相互作用的特性進行了實驗和數值研究。Xue Xiaochun等[17-18]針對雙股射流在圓柱漸擴形充液室中的擴展過程進行實驗和數值研究。

以上研究都以單股或雙股射流在自由流場或充液室中擴展為研究對象，本文中以全淹沒式水下火炮發射為背景，針對周向均布4股貼壁燃氣射流在圓柱形觀察室中的擴展特性進行實驗研究，重點討論不同噴孔結構參數和破膜噴射壓力對4股貼壁燃氣射流在液體工質中擴展形態的影響。

1 實驗裝置與原理

實驗裝置如圖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右側為A-A剖視圖，周列4個半圓為狹縫形貼壁噴孔。觀察室為?55 mm×150 mm的圓柱型結構，由透明的有機玻璃制成以便于觀測，內部充滿液體，觀察室的底部連接燃氣發生器。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

其工作原理是:利用電點火裝置點燃填充在燃燒室內的速燃火藥，火藥被點燃，其壓力迅速升高，至一定閾值，沖破紫銅密封膜片，高溫高壓的燃氣經周向均布4孔噴嘴形成4股貼壁燃氣射流，噴入充滿液體工質的透明觀察室中，燃氣射流在噴管出口處為聲速流，進入充液室之后，很快衰減，變成亞聲速流。4股貼壁燃氣射流在液體工質中相互作用以及射流擴展過程由數字高速錄像系統記錄。為了減少重力的影響，將此裝置豎直向上放置，即高溫高壓的燃氣由燃燒室下部向上噴入，觀察室上端與大氣相連。實驗中選擇的液體工質為水。

圖2為實驗系統光路圖。2平面鏡呈45°夾角放置，分別捕捉4股燃氣射流正面和側面擴展過程。高速攝影儀對焦平面鏡，拍攝記錄鏡中圖像。

實驗研究了破膜噴射壓力、噴孔形狀以及噴孔面積對4股貼壁燃氣射流擴展特性的影響。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現的。通過更換噴嘴，實現對噴孔形狀和面積S的改變。噴孔的結構參數如表1所示。

圖2 實驗系統光路圖Fig.2 Optical pathway sketch of experimental system

表1 噴孔的結構參數 Table 1 Parameters of nozzle structure

2 實驗結果及分析

2.1 周向均布4股貼壁燃氣射流在充液室中的擴展過程

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。現以A型噴孔為例，說明破膜噴射壓力為12 MPa時，周向均布4股貼壁燃氣射流(溫度2 300～2 400 K)在圓柱形充液室中擴展的特性，圖3顯示了其系列發展過程，實驗中高速錄像拍攝頻率為4 000 fps。

圖3 A型噴孔4股貼壁燃氣射流在圓柱形充液室中擴展的序列過程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4股貼壁燃氣射流從狹縫噴孔剛噴入液體工質時，即在t=0.50 ms時，4股貼壁射流明顯分開，同時可以看到射流邊界很不規則，呈鋸齒形，表明射流擴展初期已經呈現Kelvin-Helmholtz不穩定效應。之后隨著時間的推移，射流之間發生相互卷吸和干涉，邊界湍流摻混明顯。當t=2.25 ms時，4股貼壁射流中心已經開始交匯，貼壁射流的內側邊緣出現明顯的相互干涉，射流的頭部也由于相互吸引而呈現彎曲靠近的趨勢。當t=4.00 ms時，4股射流中心已經匯聚為一股。同時可以看到,貼壁射流擴展后期充液室底部還殘存大量的液體工質，殘留的液體只能通過Kelvin-Helmholtz不穩定效應與燃氣發生相互作用，產生強烈的湍流摻混和卷吸現象。從整個序列圖中可以看出，在4股貼壁射流擴展的整個過程中，4股貼壁射流基本是對稱的。

2.2 不同參數對4股貼壁燃氣射流在液體工質中擴展特性的影響

2.2.1 噴孔形狀的影響

通過射流擴展序列照片，采用Photoshop軟件可以讀出照片中4股Taylor空腔的軸向和徑向擴展位移，并取其平均值作為相應的擴展位移。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股貼壁燃氣射流的軸向和徑向擴展位移曲線圖。

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

由圖4(a)可見，在整個擴展過程中，相同時間內A型噴孔射流的軸向擴展位移皆略大于B型；同時從徑向擴展位移曲線圖4(b)可以看到，擴展前期B型噴孔射流徑向擴展位移略大于A型，之后徑向擴展變緩，后期射流徑向擴展位移小于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定性模式會迅速導致顯著的氣液摻混，從而導致徑向擴展速度迅速下降。根據圖像處理獲得的數據點，利用一階指數衰減方程擬合出Taylor空腔軸向位移x隨時間t變化的規律:

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

式中:B0、B1和B2為實驗常數。Taylor空腔軸向位移隨時間變化曲線的擬合參數，如表2所示，p為破膜噴射壓力。由于Taylor空腔徑向擴展時間短，取得的數據點有限，此處不進行擬合處理。

表2 Taylor空腔軸向位移隨時間變化曲線的擬合參數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股貼壁燃氣射流的軸向和徑向擴展位移曲線圖以及根據軸向擴展位移處理所得軸向擴展速度曲線圖。

由圖5可見，噴孔面積增大，使射流動量增大，相同時間內C型噴孔射流軸向擴展位移比B型噴孔的大，同時C型噴孔射流徑向擴展到達交匯更早。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，削弱了Taylor空腔軸向湍動能，從而使軸向擴展速度衰減。 從圖5(c)可看出，由于C型噴孔射流徑向擴展交匯較早，加強了卷吸與干涉作用，使軸向擴展速度衰減更快，在射流擴展后期甚至小于B型噴孔射流軸向擴展速度。Taylor空腔軸向位移隨時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展位移以及軸向擴展速度曲線Fig.5 The axial and radial displacement, and axial expansion velocity curves under different nozzle areas

表3 Taylor空腔軸向位移隨時間變化曲線的擬合參數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股貼壁燃氣射流的軸向和徑向的擴展位移曲線圖以及不同破膜噴射壓力下軸向擴展速度曲線圖。

圖6 不同破膜噴射壓力下4股貼壁燃氣射流的軸向、徑向擴展位移以及軸向擴展速度曲線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，增加燃氣的破膜噴射壓力，4股貼壁射流的射流強度增大，射流軸向擴展到達充液室頂部的時間變短。同時從徑向擴展位移曲線圖6(b)可以看到，壓力越高，相同時間內的徑向擴展位移越大，4股貼壁射流徑向擴展到達交匯的時間也越短。從圖6(c)可以看出，破膜噴射壓力從12 MPa升高到20 MPa，射流的軸向擴展速度大幅度提高。Taylor空腔軸向位移隨時間變化曲線的擬合參數，如表4所示。

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

3 結 論

(1)圓柱型充液室內，4股貼壁燃氣射流在液體工質中擴展時，由于氣液相間較大的速度差，Kelvin-Helmholtz不穩定效應強烈。同時由于4股貼壁射流在擴展過程中發生相互卷吸和干涉作用，其邊界湍流摻混現象顯著。

(2)4股貼壁燃氣射流的擴展形態與噴孔結構尺寸有關。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定性模式會迅速導致顯著的氣液摻混，從而導致徑向擴展速度迅速下降；噴孔面積越大，貼壁射流初期軸向擴展速度越大，同時由于湍流摻混和干涉的影響，衰減也越快。

(3)4股貼壁燃氣射流擴展形態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股貼壁射流徑向擴展到達交匯的時間變短，同時射流軸向擴展速度大幅增加，氣液湍流摻混效應增強。

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

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(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(11372139);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(CXLX14_0396)

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

O358國標學科代碼：13025

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