渐扩边界形状对双股燃气射流扩展特性影响的实验研究

薛晓春，余永刚，张 琦，张玉荣，陶成立

（1.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京210094；2.军械工程学院 火炮工程系，石家庄050003）

整装式液体发射药火炮（BLPG）目前面临的重大难题之一是内弹道稳定性控制技术未能解决，难以工程化应用。其核心问题在于解决含能液体在整装式条件下的燃烧稳定性控制方法。整装式液体发射药火炮的内弹道过程是：在燃烧室内填充液体燃料，初始时点火热气流在整装式液体药中形成Taylor空腔，随着气穴的加速运动，高速气流和燃烧室内壁的环形液体进行剧烈的湍流掺混，形成Helmholtz效应。这种不稳定燃烧的正反馈激励机制使得燃烧过程极为复杂。20世纪80年代，Morrision和Knapton[1]总结出了这些问题的出现主要是由于BLPG的燃烧过程过于依赖液体发射药的点燃和在燃烧过程中由流体不稳定性引起的气液掺混。90年代初，Talley和 Bracuti[2－3]提出了采用多级渐扩型药室结构来控制燃烧的稳定性。Puckett、Rosenberger[4－5]等人还提出了采用多药室组合结构来控制燃烧的稳定。为了探索多级渐扩型药室结构燃烧的机理，余永刚、齐丽婷、莽珊珊等人[6－10]研究了多级渐扩型观察室中单股燃气射流与液体工质相互作用的特性；余永刚、闫善恒等人[11]探索了双股燃气射流在二维平面型观察室中的扩展过程。在此基础上，本文以整装式液体发射药火炮多点点火为背景，针对三维多级圆柱渐扩型观察室，开展了双股燃气射流与液体工质相互作用的实验研究，主要讨论不同渐扩比的观察室结构对双股燃气射流扩展过程的影响。

1 实验装置与原理

图1为双股燃气射流在液体工质中扩展的实验装置图。它主要由燃气发生器、三维多级圆柱渐扩型观察室和双孔喷嘴组成。燃气发生器内有速燃火药，利用电点火将其点燃，产生高温高压的燃气，当燃气的压力超过破膜压力时，双股燃气射流喷入多级圆柱渐扩型充液室中，实验采用数字高速录像系统记录整个喷射过程，为了消除重力对实验过程的影响，将此实验装置竖直向上放置，观察室的上端与大气相连。

图1 实验装置示意图

实验探讨了喷射压力、喷孔中心间距、喷嘴直径以及三维多级圆柱渐扩型观察室的结构参数对双股燃气射流的影响。其中喷射压力是通过改变装药量和紫铜膜片的厚度实现的。观察室的结构参数如表1所示，表中D为观察室的直径，L为观察室每级台阶的长度，可以看出3种结构的观察室总长度不变，即L＝90mm。

表1 观察室的结构尺寸

2 实验结果及分析

实验采用A型观察室结构，即为四级圆柱渐扩型观察室，其实验工况：喷孔中心间距为16mm，喷嘴直径为0.8mm，喷射压力为18MPa。图2为双股燃气射流在A型观察室结构中扩展的序列过程图。

图2 双股燃气射流在A型观察室中扩展的序列过程

由图2可见，在双股射流发展的整个过程中，双股射流的头部每经过一级台阶都会在台阶处形成一个明显的径向扩展现象，且两股射流的内侧边缘有相互靠近的趋势。在刚开始的一段时间内，两股射流还未充分发展，并不能到达观察室壁面。当t＝1ms时，两股射流头部已经扩展到第一级台阶处，但是两股射流仍然距离较远，当t＝2ms时，两股射流的头部已经发展到第三级台阶处，且能够充满前两级台阶，两股射流已经基本靠近，边缘处出现锯齿状，随着射流的继续推进，两股射流由于彼此的卷吸和干扰发生交汇现象，且两股射流均能同步向前发展，当t＝4.5ms时，双股射流已经合并成一股，并充满整个观察室。通过分析图2的实验现象可推测出，在整装式液体发射药火炮中，采用这种四级圆柱渐扩型观察室可以减弱由气液的强烈掺混现象所引起的压力剧烈振荡，从而抑制了BLPG燃烧过程中的随机脉动性。通过对比莽珊珊等人[10]的实验结果可以明显发现，采用双股燃气射流点火较单股点火，能够使气液掺混得更加充分，增加了射流头部与液体工质接触的面积，使得气液掺混更多的是在Taylor空腔表面进行，并随着Taylor空腔的发展协同进行，减少了残留在观察室壁面的环形液体工质，从而抑制了Helmholtz的不稳定效应。

图3为A型结构中，采用不同的喷射压力p（10.8 MPa、18 MPa、28.8 MPa）时轴向速度的对比图，实验工况：喷孔中心间距为16mm，喷嘴直径为0.8 mm。图4为采用不同的喷孔中心间距s（16mm、20mm）时轴向速度的对比图（喷嘴直径为0.8mm，喷射压力为28.8 MPa）。图3和图4是通过处理双股燃气射流的序列过程图中Taylor空腔扩展的头部外轮廓计算得到的。由图可见，增加喷射压力，射流的轴向速度增大，气液的湍流掺混更加强烈，而当喷孔间距较大时，两股射流距台阶较近，因此由台阶引起的径向扰动较早，两股射流沿着轴向的扩展速度变慢，最终汇聚的时间也较晚。

图3 不同喷射压力下的v－t图

图4 不同喷孔间距下的v－t图

图5为采用B型观察室结构，即三级圆柱渐扩型观察室时，双股燃气射流在液体工质中扩展的序列过程图，其实验工况与图2相同。

通过处理图2和图5中双股燃气射流扩展的序列过程图，计算得到2种渐扩型结构中射流的轴向扩展速度和加速度对比图，如图6、图7所示。

图5 双股燃气射流在B型观察室中扩展的序列过程

图6 不同渐扩结构下的v－t曲线（A型和B型）

图7 不同渐扩结构下的a－t图（A型和B型）

由图6可见，2种结构下双股燃气射流扩展的规律基本相同，但是在B型结构中双股燃气射流的轴向扩展速度明显大于A型结构中的，由图7可见，2种结构下射流的轴向加速度a的扩展规律基本相同，由此说明，渐扩台阶级数的变化对射流的轴向加速度影响不大。仔细观察图2和图5还可以发现，双股燃气射流在B型结构中扩展时，在起始阶段除了轴向扩展速度较快之外，其它的现象基本相似，但当t＝2.5ms时，图5中双股燃气射流的底部出现轻微的卷吸现象，随着双股燃气射流的继续扩展，两股射流底部的卷吸越来越强烈，直至双股射流发展到最后一个台阶时，在第一级台阶底部已经可以看到剧烈的气液掺混及卷吸现象。由此可推测，在整装式液体发射药火炮中，这种间歇性的气液湍流掺混现象很容易导致压力的剧烈脉动，使压力出现第二峰值，造成BLPG燃烧过程的不稳定性。而在图2中，气液的掺混是逐步向前推进的，并不存在这种间歇性的底部气液掺混现象。因此，可以通过改变多级圆柱渐扩型观察室的级数来控制双股燃气射流在渐扩型充液室中的扩展特性。

采用C型观察室结构，在B型的基础上增加第一级的长度，但保持总长度不变，其实验工况仍然与图2相同。双股燃气射流在C型观察室结构中扩展的序列过程图，如图8所示。

图8 双股燃气射流在C型观察室中扩展的序列过程

通过对比图5和图8，可以发现图8中，在刚开始的一段时间内，两股射流的头部呈现出比较尖锐的锥状，仅沿着轴向发展得很快，当t＝2ms时，双股射流的头部已经扩展到第二级台阶处，两股射流沿着径向在台阶处扩展并不是很明显，随着时间的推移，当t＝3.5ms时，两股射流的头部才逐渐沿径向和轴向同时扩展，但是每经过一级台阶两股射流的头部并不能在台阶处形成一个很明显的径向扩展带。而图3中两股射流的头部基本成圆弧状，且能沿着径向和轴向同时扩展，尤其当两股射流扩展到台阶处时，能看到很明显的径向扩展现象。通过处理图5和图8中双股燃气射流扩展的序列过程图，计算得到射流在B型和C型2种渐扩型结构中轴向扩展速度和加速度曲线对比图，如图9、图10所示。

图9 不同渐扩结构下的v－t图（B型和C型）

图10 不同渐扩结构下的a－t图（B型和C型）

从图9中可以看出，双股燃气射流在C型中的轴向扩展速度较快，而从图10中可以看出，2种结构下射流的轴向加速度基本接近，这说明渐扩结构的不同对射流的轴向加速度影响较小。

3 结论

根据本文的实验结果可以得到以下的结论：

① 采用三维多级圆柱渐扩型观察室可以减缓Taylor空腔与Helmholtz不稳定性效应的正反馈机制，从而改善气液的湍流掺混特性。而采用双股燃气射流较单股燃气射流，能够使气液掺混得更加充分，增加了射流头部与液体工质的接触面积，使气液混合更多的是在Taylor腔表面进行，减少了残留在观察室壁面的环形液体工质，抑制了Helmholtz的不稳定效应。

② 喷射压力越大，双股燃气射流的轴向扩展速度也越大，气液的湍流掺混更加强烈；喷孔间距越大，双股燃气射流的轴向扩展速度越小，射流沿径向扩展较为明显，最终发生汇聚的时间较晚。

③ 采用不同的渐扩结构会对双股燃气射流的扩展形态产生不同的影响，在等长的观察室结构中，通过控制观察室的级数和第一级的长度，可以有效控制双股燃气射流在液体工质中的扩展特性，从而达到改善气液湍流掺混特性的目的。

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