雙股燃氣射流在充液室內擴展特性的實驗研究＊

2013-09-19 05:50:12薛曉春余永剛

爆炸與沖擊 2013年5期

關鍵詞：實驗

薛曉春，余永剛，張琦

（南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京 210094）

液體發射藥火炮（liquid propellant gun，LPG）是一種利用液體燃料為能源的新概念火炮，自20世紀四五十年代開始作為一種新概念武器備受關注，尤其是當固體發射藥火炮沒有取得重大的突破性進展時，它更引人關注。整裝式液體發射藥火炮（bulk－loaded liquid propellant gun，BLPG）的機械結構簡單，但內彈道過程難以控制。其內彈道過程是利用流體的不穩定性造成氣液混合而使之充分燃燒的過程，由于液體藥的燃燒推動彈丸運動并在液體藥內部形成氣穴（泰勒空腔），而氣液的交界面處由于氣液的速度差導致了Kelvin－Helmholtz不穩定性，這種不穩定燃燒的正反饋機制使燃燒過程很復雜。20世紀90年代初期，J.A.Oweczarczak等［1］、R.L.Talley等［2］在口徑為40mm 的實驗裝置上進行了實驗，發現采用多級漸擴型燃燒室結構對BLPG燃燒穩定性控制有幫助。R.L.Talley［3］還提出了采用多藥室組合結構來控制火炮腔內燃燒的穩定性。J.De Spirito［4］利用CRAFT納維－斯托克斯方程成功模擬了整裝式液體藥在四級階躍式圓柱漸擴型燃燒室中的燃燒特性，主要包括氣穴、液柱的加速擴展過程、壓力分布、燃燒場溫度、燃氣質量分數分布等。余永剛等［5］、齊麗婷等［6］、莽珊珊等［7－8］從改變燃燒室結構著手，開展相關基礎研究，觀測了單股燃氣射流在漸擴型充液室中的擴展特性。Yu Yong－gang等［9］針對平面型觀察室，開展了雙股燃氣射流在液體工質中擴展的實驗研究。

本文中，以整裝式液體發射藥火炮多點點火為背景，針對雙股燃氣射流在五級圓柱漸擴型觀察室和圓柱型觀察室中的擴展特性進行實驗研究，重點討論不同的漸擴型邊界對雙股燃氣射流擴展形態的影響以及不同的工作參數下雙股燃氣射流在液體工質中擴展的過程。

1 實驗裝置與原理

實驗裝置如圖1（a）所示，主要由高壓燃燒室、雙孔噴嘴和五級圓柱漸擴型觀察室組成。該觀察室的外部是圓柱型的結構，由透明的有機玻璃組成以便于觀測，內部是一個臺階型的空腔，觀察室的底部連接燃氣發生器。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，高溫高壓的燃氣經雙孔噴嘴被分成2股，噴入充滿液體藥模擬工質的透明觀察室中。雙股射流在液體中相互作用以及射流擴展過程由數字高速錄像系統記錄。實驗中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。實驗中選擇流動特性與液體發射藥相近的水作為液體藥模擬工質。

為了研究不同的觀察室結構對雙股燃氣射流噴入液體工質過程中氣液相互作用的影響，實驗中采用2種不同結構的觀察室，分別為五級圓柱漸擴型觀察室和圓柱型觀察室。五級圓柱漸擴型觀察的結構尺寸如圖1（b）所示，其中第1級圓柱以后的每級圓柱直徑增量為Δd，采用每級圓柱直徑增量與長度l之比，即Δd／l作為圓柱漸擴型觀察室的結構參數。圓柱型觀察室的直徑為64mm，長度為110mm。

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

2 實驗結果及分析

2.1 雙股燃氣射流在觀察室中的擴展過程

實驗中，噴孔采用紫銅膜片密封，用來得到足夠的破膜壓力。首先采用五級圓柱漸擴型觀察室結構，圖2展示了雙股燃氣射流在其中擴展的序列過程。其實驗工況為：噴射壓力為18MPa，噴孔直徑為0.8mm，噴孔中心間距為16mm，漸擴比Δd／l＝0.6。

圖2 雙股燃氣射流在圓柱漸擴型觀察室中擴展的序列過程Fig.2 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in cylindrical stepped－wall chamber

由圖2可以看出，當雙股燃氣射流從雙孔噴嘴剛進入液體工質時，即在t＝1.0ms時，2股射流明顯分開，雙股射流的邊界較規則，呈扇形。當雙股射流進入第2級燃燒室后，Taylor空腔與Kelvin－Helmholtz不穩定性效應的正反饋機制開始體現出來，雙股燃氣射流頭部的形狀變得不規則，2股射流仍然明顯地分開。隨著時間的推移，2股射流發生相互卷吸和干擾：當t＝2.0ms時，2股射流中心已經開始交匯，射流的內側邊緣出現明顯的相互干擾，2股射流的頭部也由于相互吸引而呈現向內側彎曲靠近的趨勢，而徑向由于漸擴臺階的誘導作用，形成了逐漸增強的徑向湍流，即在臺階處出現一個明顯的徑向擴展帶，使雙股射流沿著漸擴臺階逐步向軸向和徑向同時擴展；當t＝6.0ms時，雙股燃氣射流已經擴展到最后一個臺階，且雙股燃氣射流能夠基本上充滿圓柱漸擴型觀察室的前幾級臺階。在雙股射流擴展的整個過程中，2股射流基本是對稱的。

為了說明漸擴邊界對雙股燃氣射流在液體工質中擴展特性的作用，還采用了圓柱型觀察室作對比實驗，其工況同圖2。雙股燃氣射流在圓柱型觀察室中擴展的序列過程如圖3所示。由圖3可觀察到，雙股射流沿軸向發展較明顯，沿徑向擴展較緩慢，在射流發展初期就呈現Kelvin－Helmholtz不穩定性效應，雙股射流的邊界形狀很不規則，呈鋸齒狀。由于缺少徑向的擾動作用，雙股燃氣射流較快地合成一股，穿過液體工質到達圓柱型觀察室的頂部，殘留在觀察室壁面的部分液體只能通過Kelvin－Helmholtz不穩定性效應與氣體發生相互作用。在雙股射流擴展的過程中，2股射流基本是對稱的。

圖3 雙股燃氣射流在圓柱型觀察室中擴展的序列過程Fig.3 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in cylindrical observation chamber

通過這一實驗現象可以預測，在整裝式液體發射藥火炮中，當高溫高壓的燃氣噴入燃燒室中，燃燒室內的液體發射藥由于受到點火熱氣流沖擊而形成一個凹面，隨著燃燒在液體發射藥表面的進行，凹面逐漸發展為一個泰勒空腔。在泰勒空腔的不斷發展下，彈丸底部的液體發射藥被壓縮，直至彈丸獲得一定的初速度后，泰勒空腔迅速發展到達彈丸的底部，在燃燒室內形成類似于一條狹長的隧道般的空穴，橫穿在整個燃燒室內。由于泰勒空腔迅速擴展到彈丸底部，導致燃燒室的近壁面處被壓縮了大量液體發射藥，且未能得到充分燃燒，僅能通過點火燃氣流的卷吸作用參與到燃燒中，加劇了Kelvin－Helmholtz不穩定性效應，引起膛內壓力出現劇烈振蕩現象。而采用多級圓柱漸擴型觀察室，由于臺階的誘導作用，泰勒空腔能夠平緩地沿著軸向和徑向同時發展，當泰勒空腔到達彈丸的底部，推動彈丸向前運動時，僅有少部分液體燃料被滯留在燃燒室近壁面處。此時，再通過Kelvin－Helmholtz不穩定性效應使剩余液體燃料得到充分燃燒，減弱由Kelvin－Helmholtz不穩定性效應引起的膛內壓力劇烈脈動現象，避免壓力出現第2峰值。而與齊麗婷等［6］的單孔燃氣射流實驗研究相比，雙股燃氣射流增加了燃氣與液體藥模擬工質表面的接觸面積，增加了Taylor空腔的徑向直徑，減少了殘留在觀察室壁面的環形液體，使氣液交換更多地在泰勒空腔內進行，降低了射流擴展過程中氣液湍流摻混的隨機脈動性，從而很好地抑制了Taylor空腔與Kelvin－Helmholtz不穩定性效應的正反饋機制。由此可推測，在整裝式液體發射藥火炮內，采用這種雙股燃氣射流同時點火可以抑制燃燒的不穩定性，提高其內彈道穩定性。

2.2 不同參數對雙股燃氣射流在液體工質中擴展特性的影響

2.2.1 漸擴比對雙股燃氣射流擴展特性的影響

實驗中，為了探討不同的多級圓柱漸擴型觀察室結構對雙股燃氣射流在液體工質中擴展特性的影響，同樣采用五級圓柱漸擴型觀察室，將每級臺階直徑的增量改為6mm，即Δd／l＝0.3，其實驗工況為：噴射壓力為18MPa，噴孔直徑為1mm，噴孔中心間距為20mm。2種圓柱漸擴型觀察室結構下的實驗序列過程如圖4所示。

觀察2種Δd／l結構下的雙股射流擴展的序列過程，可以發現：圖4（b）中，漸擴比越小，雙股射流沿著軸向發展越快，氣液的湍流摻混強度越大，射流頭部的脈動越劇烈，射流發展越不規則。通過處理2種結構下雙股燃氣射流擴展的序列圖，可獲得雙股燃氣射流擴展的軸向速度和加速度分布，如圖5所示。結合實驗過程的序列圖可知：當Δd／l較大時，射流軸向擴展速度明顯較小，初始階段加速度也較小。但當雙股射流擴展到后期時，2種結構的加速度近似于相同。

圖4 不同結構圓柱漸擴型觀察室中雙股射流的擴展序列Fig.4 Expansion sequences of twin combustion－gas jets in different cylindrical stepped－wall chambers

圖5 不同的漸擴尺寸下雙股射流的軸向速度和加速度Fig.5 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different gradually－enlarged ratios

2.2.2 噴射壓力對雙股燃氣射流擴展特性的影響

圖6為相同結構（Δd／l＝0.6）的五級圓柱漸擴型觀察室，不同的噴射壓力下，雙股燃氣射流的軸向速度和加速度的曲線圖，實驗工況為：噴孔直徑為0.8mm，噴孔中心間距為16mm。

圖6 不同噴射壓力下雙股射流的軸向速度和加速度Fig.6 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different injection pressures

結合雙股射流擴展過程的典型實驗圖2可見，增加燃氣的噴射壓力，雙股射流的氣液摻混強度增加，從而使雙股射流沿軸向的擴展速度增大。從圖6中可以看出，當噴射壓力提高到18MPa時，射流的軸向擴展速度大幅度提高，射流的軸向加速度也明顯增大，而當噴射壓力繼續增加時，射流的軸向加速度基本不變。將圖6（a）擬合后得到如表1所示的經驗關系式。

表1 噴射壓力對雙股射流擴展速度影響的經驗關系式Table1 Empirical formula for influences of injection pressures on axial velocity

2.2.3 噴孔直徑對雙股燃氣擴展特性的影響

觀察不同的噴孔直徑對雙股燃氣射流在液體工質中擴展特性的影響，其實驗工況為：噴射壓力為18MPa，噴孔中心間距為16mm，漸擴比Δd／l＝0.6。雙股燃氣射流軸向速度和加速度的變化曲線如圖7所示。結合雙股燃氣射流的典型擴展圖2可見：噴孔直徑越大，射流頭部軸向擴展速度越大；噴孔直徑越小，氣液湍流摻混和卷吸效應越顯著。將圖7（a）擬合后得到如表2所示的經驗關系式。

圖7 不同噴孔直徑下雙股射流的軸向速度和加速度Fig.7 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different nozzle diameters

表2 噴射直徑對雙股射流擴展速度影響的經驗關系式Table2 Empirical formula for influences of nozzle diameters on axial velocity

2.2.4 噴孔間距對雙股燃氣射流擴展特性的影響

采用不同的噴孔間距對雙股燃氣射流噴入液體工質的過程進行實驗研究，噴射壓力仍為18MPa，噴孔直徑為0.8mm，漸擴比Δd／l＝0.6，噴孔中心間距分別為16和20mm。圖8展示了雙股燃氣射流在噴孔中心間距為20mm的漸擴型結構中擴展的序列過程。結合圖2可見，噴孔間距較大時，雙股射流在擴展過程中離圓柱漸擴型觀察室的邊界較近，因此受漸擴型臺階的誘導作用，雙股射流沿徑向擾動較強烈。當t＝1.5ms時，雙股射流就已經向漸擴型邊界擴展；在t＝2.5ms時，2股射流都分別充滿前2級臺階。但是由于雙股射流之間的距離相對較遠，因此，2股射流發生匯聚的時間較晚。而對于較小的噴孔間距，雙股射流之間的卷吸和干擾強度相對較大，雙股射流發生向內側彎曲的趨勢較明顯，當t＝2.0ms時，2股射流就已經開始相互卷吸。

通過處理圖2、8的序列過程，計算得到雙股燃氣射流擴展過程的軸向速度和加速度的對比曲線，如圖9所示。由圖9可見，當雙股射流發展到后期，2股射流的軸向速度相差不大，都能穩步向前發展，而軸向加速度也近似相同。

圖8 雙股燃氣射流在噴孔中心間距為20mm的漸擴型結構中擴展的序列圖Fig.8 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in the cylindrical stepped－wall chamber of s＝20mm

圖9 不同噴孔間距下雙股射流的軸向速度和加速度Fig.9 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different dual－orifice intervals

3 結論

（1）圓柱漸擴型觀察室內，雙股射流由于受漸擴臺階的誘導作用，沿徑向擴展較明顯，降低了Kelvin－Helmholtz不穩定性效應，減少了由此而引發的壓力劇烈脈動，而雙股射流相對單股射流來說，由于2股射流本身存在著相互的卷吸和干擾，使2股射流最終逐漸匯聚成1股，并充滿整個觀察室邊界，增加了Taylor空腔的表面積，抑制了Taylor空腔與Kelvin－Helmholtz不穩定性效應的正反饋機制。

（2）雙股燃氣射流的擴展形態與觀察室的漸擴型尺寸、噴孔直徑、噴孔間距、噴射壓力等有關，多級圓柱漸擴型觀察室的漸擴比越大，軸向擴展速度越慢，氣液的摻混強度也越小；噴孔直徑越小，雙股射流的氣液摻混強度越大，存在越強的干擾和卷吸作用；噴孔間距越大，受漸擴邊界的影響，沿著徑向發展越快，但2股射流發生匯聚的時間越晚；噴射壓力越大，射流頭部發展越不穩定，湍流脈動也越劇烈。

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