水下气体射流初期数值研究

本文提出了一种新的水下气体射流的数学物理模型,并成功地将位标函数方法应用于水下气体射流气水交界面求解,数值模拟了水下气体射流初期的流动演化和气水相互作用特性,得到了气水全耦合的水下气体射流喷射初期的流场形态及其演化过程,定性结论与实验吻合。

环形喷管水下气体射流夹断过程

对水下竖直环形喷管出口气体射流现象进行了研究,采用高速摄影仪记录了水下气体射流发展过程,并通过MATLAB编程处理图片的方式,对夹断的判定、夹断的位置和频率做了探讨,对环形喷管射流的特性进行了分析。结果表明:环形喷管水下气体射流呈现出持续射流和集中夹断两种阶段;在本文工况下,水下气体射流离喷口越近,夹断次数越多,离喷口越远,夹断次数越少;对于本文所有喷管,其动量射流段发生夹断的频率都随气体流量增加而减小;水下气体射流的回击现象并不是气体反向倒流撞击喷管端面形成的,而是夹断发生后,后续喷入的气体在轴向受阻,进而横向扩张的结果;对于环缝大小一定的喷管,气体流量越大,射流穿透深度越大。

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。

水下气体射流数值研究

利用混合物多相流模型数值模拟了水下气体射流的非稳态过程,分析了气体射流发展不同阶段的流场特性,研究了气泡中气体流动的基本规律,研究结果可以应用到工程设计当中。

水下超声速气体射流初期流场特性的实验研究

实验研究三维水下超声速气体射流,重点分析气体射流初期气泡运动演化过程,对射流初期数值模拟结果做相关辅证.同时引进非圆整度概念,定量分析水下气体射流初期气泡运动及形态变化的某些规律,得到一些实验分析结果,为工程实践提供了有用的参考数据.

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.

喷管对水下爆轰燃气射流过程影响的数值模拟

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。

水下固体火箭发动机垂直气体射流结构和推力影响研究

为了探究高背压水介质条件下,固体火箭发动机垂直气体射流在浮力影响下的流场结构和发动机推力特点,建立了轴对称几何模型,在考虑有/无浮力的条件下,采用VOF(Volume of fluid)多相流模型进行气体-水两相耦合仿真计算,获取尾流气体射流流场结构,以及发动机尾部壁面受力和推力振荡曲线进行分析。研究结果表明,考虑浮力的仿真结果更加符合试验结果;射流动量段气体的马赫数分布会导致喷管出口附近的气-水界面产生周期性胀鼓-颈缩,从而引起尾部空间背压振荡,在设计工况下,尾部压力变化范围为环境水深压强的0.327到2.43倍;背压振荡将引起尾壁面受力振荡和推力振荡,振荡频率为736.89Hz;气体射流喷出过程中,气-水界面由速度梯度主导的开尔文-亥姆赫兹(K-H)不稳定性逐渐转变为由重力和浮力主导的瑞利-泰勒(R-T)不稳定性。

水下欠膨胀高速气体射流的实验研究

采用实验途径研究了水下高速气体射流的动力学特性，研制了水下高速气体射流实验系统并发展了相应的测试手段．实验中，用插入式静压探针测量了射流轴线静压分布；用γ射线衰减法测量了径向空隙率分布，从而揭示了水下高速气体射流均压和掺混两个过程的基本规律．测量结果表明：水下高速气体射流在欠膨胀工况下运行时，近场将出现含有复杂波系结构的膨胀压缩区域，由于气水的掺混作用，水下欠膨胀气体射流均压化过程比空气中衰减得快．测量结果还表明，水下射流在近场区的混合层由气水两相占据：其流态从靠近气体侧的液滴流型过渡到靠近液体侧的气泡流型．

水下超声速气体射流的初始流动特性研究

为研究水下发射过程中高温高压火药燃气喷射进入液相水过程的流体形态变化与流动特性,采用Mixture多相流模型与蒸发与凝结模型建立了二维轴对称水下超声速气体射流的数值计算模型并进行了相关的数值模拟,得到水下超声速气体射流的初始流动结构。数值结果表明,超声速气体与水介质的强撞击会在气液界面上形成一个强压缩区,且连续撞击形成的压力波反传,使喷管出口射流核心区流场出现周期性脉动。因气液界面上的强剪切作用,而在气液混合区内形成复杂的小激波结构,小激波结构的出现加速了气液界面的失稳,从而促进了气液掺混效应。另外,在气泡内会形成典型的欠膨胀射流结构,因而气泡内的流动特征与单相超声速气体射流情况类似。

水下超声速气体向上喷射时的动量射流特性研究

针对水下垂直向上喷射的气体射流在潜射导弹破水发射装置(WPML)中的应用,对其气体射流的基础理论及关键技术进行了实验研究。实验得出气体射流时动量射流段的射流直径是以近线性速率增大的结论,并分析了动量射流长度与斯特鲁哈数之间的某种相关性。结果指出,随着射流出口速度的增加,可以减小斯特鲁哈数,射流的周期不稳定性明显减弱,得到稳定且长度较长的射流,对WPML的设计和应用具有参考作用。

二维水槽中高速气体射流的振荡流流型研究

为研究二维水槽中高速气体射流的振荡流流型,建立了一套操作方便、可重复性好的实验系统。利用高速摄影仪研究了水下高速气体射流的形貌,显示了气体逆流而上撞击喷口表面的回击现象,发现了在喷口附近间歇性产生的胀鼓现象。结果表明:湍流气/水界面仍然存在于过膨胀射流中;射流在回击之前总是发生多次的膨胀,并且膨胀次数越多、膨胀幅度越大,回击的强度越高,对喷口表面的蚀损就越严重;超音速工况时的回击频率约为5.3 Hz。

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。

水下固体火箭发动机推力特性研究

为研究水下固体火箭发动机的推力特性,采用CFD方法分析高速燃气射流与周围水环境之间的相互作用机理及多相流流场结构对发动机推力的影响,并对不同水深、不同燃烧室压强以及不同喷管扩张比情况下的推力变化规律进行讨论。研究发现:水下火箭发动机推力振荡剧烈,间歇性的推力脉冲是由气体射流的颈缩/断裂现象引起的;喷管设计出口压强与环境压强之比是判断推力振荡特性的重要参数,该压强比增大时,振荡频率减小、振荡幅值升高。

水下超声速气体射流的力学机制研究

介绍了对水下超声速气体射流的力学机制的实验研究.在自行设计研制的实验系统里,高压空气通过缩放喷嘴(拉伐尔)喷入一个3维水槽中.射流在不同的工况下运行,即过膨胀、适配和欠膨胀状态.用一台CCD摄像机,对射流流场进行了可视化.实验发现,超声速气体射流在水中的喷射,总是伴随着很强的流体振荡,而这种振荡与射流气相介质中的激波反馈现象有关.对射流压力场进行了详细的测量,证实了气相介质中的激波反馈现象.但是,这里讲的激波反馈不同于超声速气体射流在开放大气空间中释放时的声学反馈(声学反馈引起尖锐刺耳的声调).它是这样一个过程:封闭在射流气袋中的激波引起射流内部的大幅度的、周期性的压力脉动;然后,压力脉动引起射流振荡,包括大幅度气体膨胀现象的出现.为了验证这种激波反馈现象,我们对流场进行了详细的压力测量.设计了三种压力测量装置,即浸没在水中的压力探头;在喷管装置侧壁上的压力测量;在喷管装置前壁上的压力测量.实现了对喷嘴下游、喷嘴附近以及喷嘴上游的压力测量,而且各压力测量结果体现了很好的一致性.研究表明,射流的每一次振荡,都引起一次压力的突然增加,激波反馈的平均频率为5～10Hz.