脉冲水炮发射特性的实验研究

脉冲水炮是一种新型有效的水力破岩装置,因而具有广阔的发展前景。通过对50MPa脉冲水炮进行的实验,得到了水炮压力,喷嘴直径,靶距等参数与水炮打击效果之间的关系,从而为水炮的进一步研制和应用提供了可靠的依据。

脉冲水炮发射特性的理论分析

通过水地发射过程中运动与力的关系，对其友射特性作系统的理论分析，提出了脉冲水炮发射特性方程的数值分析方法，由此得出水炮破岩效果与喷嘴直径、活塞初速度等参数之间的关系，为水炮的设计和研制提供了一定的理论依据。

脉冲防暴水炮炮管结构的仿真研究

应用质量守恒定律和动量守恒定律,利用大涡模拟方法并运用Fluent流体仿真软件对锥形炮管内流和近喷嘴区域的射流发展情况进行了数值模拟研究。结果表明:在考虑了炮管和喷嘴的结构参数的情况下,采用气液两相大涡模拟能够获得与实验非常接近的射流结构;锥形炮管能够显著增加初始射流的速度、降低速度梯度以及提高射流稳定性,从而对提高脉冲防暴水炮性能产生了积极的作用。

一种脉冲防暴水炮喷嘴堵头的设计及实验研究

为提高脉冲防暴水炮的最大射程,改善射流结构,设计了一种新型的喷嘴堵头,利用高速摄影和数码拍摄技术实验研究了有无堵头情况下的射流形状,分析了堵头对射流雾化的影响。所设计的堵头能在注水时防止水外溢,获得了更为工整的射流结构,对射流的集束作用较为明显,射流最大有效射程较原来提高15m。堵头的存在对出口段射流的一次雾化有促进作用,是影响水炮性能的关键因素之一。

脉冲防暴水炮发射管内的建模与二维仿真

为优化设计,奠定外流场研究的基础,建立了求解脉冲防暴水炮发射管内压力,水柱速度及摩擦力的计算模型。使用商业Fluent软件对发射管内高压气体冲击水柱进行二维数值模拟,采用k-ε模型描述湍流分布,二维VOF模型追踪发射管内的气液界面。模拟得到了气液界面的演化图像,出口速度矢量分布,以及不同时刻管内对称轴上的压力分布。将所建立模型的理论计算值与模拟值进行比较,分析了两者的吻合情况。仿真结果证明:水柱的管内运动压力起主要作用,重力作用并不明显,压力梯度较大的区域出现在水柱段,模拟值与理论计算值基本吻合,可利用模拟值对计算模型进行修正。所得结论对于水炮类非致命武器的设计及水炮外流场的研究有一定的指导意义。

基于CFD技术的脉冲防暴水炮高压气嘴的结构设计

射流出口速度值是影响脉冲防暴水炮技术性能的敏感因素,为研究不同结构气嘴对射流出口速度的影响,采用CFD技术数值研究了三种不同入口面积气嘴的二维流场,其中大涡模拟方法和二维非稳态的VOF模型被用于描述气嘴流场的湍流分布和追踪管内外的气液界面,研究发现过大或过小的气嘴入口面积都会减慢水炮的发射过程,不同的气嘴结构对于初始时刻的射流形状是没有影响的,但因改变了管内的气液参混过程,从而导致对射流的一次和二次雾化产生不同影响。

脉冲防暴水炮近流场的数值模拟

为研究脉冲防暴水炮非稳态气液两相射流的雾化机理,采用一方程大涡模拟耦合有界压缩型VOF方法构建数值计算模型,对近流场进行数值模拟。从喷雾形态看,由数值模拟得到的气液两相界面分布图与近流场的高速摄影图像相符程度较高。对两者进行分析比较后发现,在近流场中高压气体膨胀为射流发展的主要动因。

脉冲防暴水炮雾化特性实验方法分析

脉冲防暴水炮射流的非稳态特征和较大的雾场范围,增加了对其雾化特性进行测量的难度。通过分析当前激光雾场测量技术的基本原理和方法,指出粒子图像速度粒径(particle i mage veloci metry and sizing,PIVS)方法适合脉冲防暴水炮射流雾化特性的测量。根据脉冲防暴水炮的射流特点,提出了基于粒子散射、激光片光成像和高速摄影技术的测量方法,并对硬件系统的设计进行了分析,为下一步试验台的搭建提供了理论指导。

警用脉冲防暴水炮发射管内的建模与仿真

建立了基于气体动力学理论、力学基本定律及因次分析方法的求解脉冲防暴水炮发射管内压力,水柱速度及摩擦力的计算模型。以某型水炮为例算得了最大理论出口平均速度和出口压力,利用fluen t软件对炮管发射状态进行了管内模拟,得到气液界面的演化图像,及出口平均速度曲线和管内压力云图,验证了所得模型用于管内计算的准确性。该组数学模型对于水炮的实验展开及优化设计有着重要的指导意义。

脉冲防暴水炮拉瓦尔型喷嘴雾化过程仿真研究

研究防暴水炮优化控制问题。防暴水炮以高压气体作为动力,喷嘴作为射流发射元件。根据警用脉冲防爆水炮的射流特点,设计了拉瓦尔型喷嘴。在VOF和LES模型相结合的基础上,建立了喷嘴的数学模型和物理模型,并采用OpenFOAM软件对近喷口流场进行了数值仿真。通过研究发现拉瓦尔型喷嘴在雾化效果和射程上都能达到很好的效果,并通过对拉瓦尔型喷嘴近喷口流场雾化形态、雾化角、速度云图的模拟、分析,确立了张角为15°和18°之间的喷嘴较为合理,为脉冲水炮的进一步优化提供了借鉴依据。

脉冲防暴水炮出口段射流的大涡模拟

为优化装备设计,减少实验投入,采用大涡模拟方法耦合二维非稳态VOF模型对脉冲防暴水炮发射管内及出口段的气液两相射流进行了数值模拟研究。通过搭建实验台对脉冲防暴水炮出口段射流进行了高速摄影实验,并利用高速图像记录系统自带的判读软件对射流出口段的速度值进行了判读,实验所得的射流形状及速度与仿真结果吻合较好。利用仿真方案进行变运动参数的数值模拟,结果表明:初始压力对出口速度影响较大,而初始射角对出口速度大小没有影响,因改变了初始射流方向,导致最大射程有所变化。研究表明较大的初始压力和较小的水量能获得更大的射流出口速度和更少的水炮发射时间。

警用脉冲防暴水炮两种喷嘴内部流场的数值模拟

根据警用脉冲防暴水炮的射流特点,设计了两种新型喷嘴,并采用Fluent 6.2.16软件中所带的大涡数值模拟模型(LES)对喷嘴流场进行数值计算。模拟结果表明:射流进入喷嘴收缩段后会发生强烈的剪切作用,引起流场速度和压力的急剧变化.nozzle-2圆柱段L能对射流起到加速作用,因此,nozzle-2在提高射流出口速度方面的作用要优于nozzle-1,这在一定程度上有利于警用脉冲防暴水炮最大射程的提高。

警用脉冲防暴水炮气液两相射流的数值研究

为优化装备设计,奠定气液射流雾化研究的基础,对脉冲防暴水炮气液两相射流进行了实验研究。采用4种模拟方案对实验工况进行数值模拟,得到大涡模拟方法耦合二维非稳态隐式的VOF方法可以对高速气液两相射流进行较好的描述,所得结果与实验结果吻合较好。展开变动力参数和结构参数的数值模拟,结果表明:初始压力和初始水量对水炮性能影响较为明显,较短的炮管长度可以促进射流雾化,较长的炮管长度可以增加最大有效射程。

Brill流型的脉冲防暴水炮发射管内气液两相流流型

搭建了脉冲防暴水炮气液两相流动力研究的模化实验平台,对水炮发射管进行可视化研究的改装,通过高速摄影机来拍摄发射管内气液两相流气液界面运动的行为。简化了水炮的三维物理模型,应用OpenFOAM软件自带的大涡数值模拟模型(LES)对发射管内气液两相流进行流场仿真,得到了流型的演变过程。数值模拟结果显示脉冲防暴水炮发射管内气液两相动力过程的流型演变规律为:开始阶段为冲击流,但持续时间极为短暂;然后演变为环状流,持续时间较长;最后为气液掺混阶段的雾状流。数值模拟结果与实验结果吻合良好。

脉冲防暴水炮非淹没气体射流的RANS和LES模拟

为提高脉冲防暴水炮刺激剂的雾化水平,必须提高射流的出口速度和改善雾化带形状,而这些因素与管内非淹没气体射流的湍流流场息息相关。为准确描述湍流分布和水柱加速过程,对脉冲防暴水炮的非淹没气体射流进行了RANS和LES模拟。结果表示LES模型较RANS的标准k-ε模型能更为精确地描述湍流分布和管内非淹没气体射流速度的各向异性。但两者对于水柱加速过程的描述基本一致,只是由于LES模型的气液参混较为充分,气液速度相差较小,而可能导致两模型气体在喷口膨胀规律的异同。LES模型气液界面复杂,是用于研究管内气液流型的理想方法。该方法为三维模拟打下了较好的基础,所得结果可以作为管外射流研究的初始条件。

脉冲防暴水炮气液两相流不稳定破碎数值模拟

在Open FOAM平台上,利用大涡模拟(LES)和VOF相偶合的方法对脉冲防暴水炮气液两相射流的破碎过程进行数值模拟,分别利用K-H和R-T不稳定性理论建立液滴破碎数学模型来描述水炮的一次破碎和二次破碎,用不稳定性理论中表征波的参数来表示液滴的破碎参数。数值模拟结果表明,KH-RT模型较好地描述了脉冲防暴水炮气液两相流的破碎过程。

脉冲防暴水炮炮管内湍流流场的大涡模拟

脉冲防暴水炮对于群体性骚乱事件的有效处置作用重大,为提高其刺激剂雾化效果及最大有效射程,奠定外流场研究的基础,进行了炮管内湍流流场的大涡模拟。并将结果与RAN S的模拟结果做了比较,两者均受重力影响,炮管内速度梯度较大区域在气嘴出口处,水柱段速度基本相等。RAN S模型的速度场呈对称分布,因对速度进行了均化处理,导致各处速度波动不大,其气液界面较为理想化,气液参混区域较短。而LES模型,速度场分布不规则,速度表现为总体朝向出口的各向异性。气液参混区较大,与理论分析情况比较相近。结论说明LES模型可以更为准确地描述炮管内的湍流分布,且是研究管内流型的一种较好的方法。

脉冲防暴水炮管内湍流的大涡模拟及实验验证

作为以刺激剂驱散为主要防暴手段的脉冲防暴水炮,其发射管内的气液湍流运动对于脉冲防暴水炮管外射流及其雾化影响较大,必须进行深入的研究分析。采用二维大涡模拟模型对管内湍流进行了数值模拟,玻璃管内气体撞击水柱的高速摄影实验用于模拟验证。验证表明,大涡模拟较标准k-ε模型能更为准确地描述管内的气液参混,用其进行管内湍流模拟是可行的。为脉冲防暴水炮的数值研究找到了可靠手段,所得结论为水炮的优化设计及变初始边界条件的数值模拟打下了一定基础。

基于激光片光成像的脉冲防暴水炮粒度测量

根据PIVS方法,搭建了适用于脉冲射流的粒度测量系统,提出了相应的粒度测量算法.利用计算机生成的标准粒子图像,进行了算法验证.分别利用该系统和激光粒度仪对小型喷壶的稳态流场进行了比较测量.结果表明:该系统能够得到瞬时粒度图像,可以实现非稳态流场的粒度测量.

基于脉冲水射流技术的警用防暴水炮的探析

研究了基于脉冲水射流技术的警用防暴水炮,重点研究了雾化效果和最大射程的最佳配合方式,对警用脉冲防暴水炮的设计有一定的指导作用。