柱形充液室内多股燃气射流流场的气体与液体两相流场演化特性

基于水下枪炮发射的工程背景,对火药燃烧形成的多股高压燃气射流从模拟弹头头部喷入柱形充液室的过程进行了实验观测和数值模拟研究。实验观测采用高速录像记录,数值模型采用流体体积函数模型来描述液体环境中多个燃气泡的扩展,数值模拟结果与实验观测结果相符。数值仿真结果表明:喷孔轴线上的燃气压力经历下降和上升的过程后达到稳定值,空腔附近的水流场由于燃气作用出现压力峰,随后逐渐衰减;在燃气空腔扩展的过程中,离喷孔距离越远的截面上燃气-水流场的压力分布越均匀,截面平均压力随着空腔扩展逐渐下降;随着时间的增长,截面上气体组分分数可达70%.

侧喷孔分布对多股燃气射流在充液室中扩展特性的影响

该文对火药燃烧形成的多股高压燃气射流从模拟弹头头部喷入柱形充液室的过程进行了数值研究。采用雷诺平均N-S方程结合可实现k-ε湍流模型来描述单个中心泰勒空腔和多个侧面泰勒空腔在受限液体环境中的扩展过程,同时分析了侧面喷孔个数对燃气扩展的影响。数值结果表明,减少侧面喷孔的个数,泰勒空腔的剖面形状并未发生明显变化,相邻侧面泰勒空腔的汇聚过程变慢,泰勒空腔充满充液室的时间增加。侧面喷孔的个数减少,泰勒空腔内部的静压趋于稳定,流场内径向截面的平均总压降低。

锥形多股火药燃气射流与液体工质相互作用的实验研究

为了解水下枪械的发射机理,设计了锥形多股火药燃气射流与水相互作用的模拟实验装置,借助高速摄像机研究了不同喷射压力、不同喷孔直径对多股燃气射流扩展特性的影响。实验结果表明:喷射压力增大,燃气射流的扩展速度增大,扩展过程中湍流不稳定性增强,气液卷吸程度加剧;喷射压力从10.8 MPa提高到28.8 MPa,中心射流的扩展速度增大28%,侧孔射流的扩展速度增大40%;中心喷孔直径由2 mm增大到3 mm,中心射流的扩展速度增大29%,侧孔射流的扩展速度增大26%,但射流的速度下降趋势更明显,而侧面喷孔直径的变化对射流扩展速度影响较小。

水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用特性研究

为了研究水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用的特性,设计了可视化模拟实验装置,采用高速录像系统记录了圆柱形充液室中弹丸运动及气体与液体相互作用的过程特性,得到了弹丸速度与气幕轴向扩展速度随时间的变化关系。对比不同喷射参数条件下实验结果可以发现:弹丸运动速度随着喷射压力的增加而增加;气幕减阻性能随着斜面喷孔尺寸增大得到提升,弹丸运动速度随之增大。在实验基础上,建立了弹丸运动条件下多股燃气射流在液体介质中扩展的三维非稳态数学模型。针对实验工况进行数值模拟,模拟结果中多股燃气射流扩展过程与实验结果一致;对比二者气幕顶部轴向扩展位移值,可以发现计算结果与实测值吻合较好。弹丸运动条件下气幕生成的数值模型的建立,为水下火炮发射过程中身管内气幕生成及减阻机理分析提供了参考。

喷头运动对水下气幕生成特性影响的研究

为了了解充液圆管内喷头运动过程中的气幕生成特性,采用高速摄像技术记录了喷头运动条件下多股燃气汇聚生成气幕过程。在实验基础上,建立了多股燃气射流在受限液体中扩展的三维非稳态数学模型,对实验工况进行了数值分析,气幕顶端扩展位移的计算值与实测值吻合较好。在此基础上,对比分析相同喷射条件下喷头运动与否对水下气幕生成特性的影响,结果表明:喷头运动,抑制了流场回流作用,增强了对气幕前端液体的推动作用,8ms时气幕运动速度由10m/s增大到11m/s;增大了喷头下游流场压力,8ms时运动喷头表面轴向受力增大了18%;降低了气幕顶部中心区域温度,但提高了壁面处温度。

圆管沟槽结构参数对气幕形成和排水特性的影响

为提高全淹没式水下火炮弹丸的发射初速,基于气幕式发射原理提出了一种气幕的新型形成方式,即通过在身管内壁开设沟槽来引导部分弹后火药燃气向弹前流动形成气幕,进行实时排水。为此建立了充液圆管内多股燃气射流排水过程的三维非稳态两相流模型,并在喷射压力10MPa恒压下进行了数值模拟。结果表明:燃气射流进入充液圆管后产生周向和径向扩展,在周向率先汇聚后开始径向汇聚,最终在管内形成柱状气幕。在射流扩展过程中,Taylor空腔内重复着在弹头斜面产生涡旋、随后涡旋尺度增大并向下游移动、产生新涡旋的过程。随着沟槽宽高比由0.71增大到1.60时,弹头表面静压增大了14.02%,射流轴向扩展速度和气幕排水速率呈非单调变化,并在宽高比1.00时达到最大。而在相同条件下增大喷射面积,虽然射流轴向扩展速度和气幕排水速率提高,但消耗的燃气增多,弹头表面静压也增大,不利于弹丸速度提高。