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。

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。

充液圆管周向多股壁面燃气射流排水特性

为探索水下火炮低阻高速发射新方式及工作原理,提出一种在身管内壁开设若干道凹槽、引导部分弹后火药燃气实时排水的方式,以达到在类似于空气中发射的效果,实现水下火炮低阻高速发射的目的。建立充液圆管多股燃气排水的三维非稳态两相流模型,并针对30 mm充液圆管气体与液体相互作用过程进行数值模拟。结果表明:多股燃气射流在扩展过程中沿周向率先汇聚,随后协同排出壁面附近的液体工质,最后完成径向汇聚,形成柱状气幕。多股燃气射流在圆管内的轴向扩展速度先短暂地迅速衰减,随后由波动上升逐渐转变为非线性上升。喷孔近场区域内,各截面燃气面积分数在波动中逐渐上升;喷孔远场区域内,燃气射流扩展到某一截面时,该截面燃气面积分数迅速上升,但在随后的扩展过程中,燃气面积分数缓慢上升且存在波动。充液圆管内燃气体积分数呈非线性增长,排水效果良好。

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。