脉冲等离子射流在液体介质中扩展特性的测量与分析

刘 怡, 余永刚, 莽珊珊

(1. 南京理工大学能源与动力工程学院, 江苏 南京 210094; 2. 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094)

1 引 言

电热化学炮[1]由于其超高速、高动能、大威力等优点,在新概念火炮领域具有很强的竞争力。电热化学炮包括固体工质电热化学炮(solid propellant electrothermal chemical gun, SPETCG)和液体工质电热化学炮(liquid propellant electrothermal chemical gun, LPETCG),与固体发射药相比,液体发射药[2]有很多突出的优点,如: 具有较大的装填密度、易实现装填自动化、易储存和运输等等。

整装式液体发射药燃烧不稳定且难以控制[3],所以LPETCG的燃烧稳定性控制技术是关键技术之一,等离子与液体工质相互作用的过程和特性是燃烧稳定性控制的核心问题。国内外学者对等离子与固体介质相互作用的研究比较多[4-7],对等离子与液体介质相互作用也进行了一些研究。刘东尧[8]分析了等离子与液体介质相互作用面上的传热传质现象,发现了与相同喷嘴结构下的火药气体射流在液体介质中的扩展相比,等离子体射流的比冲远高于常规火药燃气的比冲。周彦煌[9]通过实验观察到等离子射流在液体介质中的膨胀是一种典型的Taylor空腔的扩展过程, 发现两相界面存在明显的冷却暗区, Taylor空腔有时会出现间断。前人通过采用渐扩结构燃烧室来改善整装式液体发射药燃烧的不稳定性[10-11],这种方式同样可以运用于LPETCG的燃烧稳定性控制技术中。Yu等[12-13]通过设计实验和数值仿真说明了多级渐扩燃烧室对等离子射流在液体介质中扩展稳定性有积极影响。张琦[14-15]测量了不同形状充液室中脉冲等离子射流在液体介质中扩展初期的轴向位移、速度和加速度,研究了等离子射流在液体介质中的轴向扩展特性,还建立了等离子射流扩展的二维轴对称非稳态数学模型,结果显示渐扩充液室边界形状能够改善Taylor空腔扩展过程中的不稳定性。

电热化学炮发射过程中,等离子体喷入贮液室中形成Taylor空腔,燃烧主要发生在Taylor空腔与液体工质的交界面上,对Taylor空腔体积扩展特性的研究有助于了解交界面处的燃烧特性及燃气生成量,从而为深入分析电热化学炮内弹道过程稳定性有重要价值。关于等离子射流在液体介质中体积随时间变化规律,前人并没有进行具体的定量描述。本研究测量了脉冲等离子射流在液体介质中扩展的体积变化,总结了Taylor空腔体积随时间变化的扩展规律,分析了脉冲等离子射流在液体介质中的扩展特性,且不仅限于Taylor空腔的扩展初期,同时还探讨了贮液室边界形状、放电电压和喷嘴直径变化对脉冲等离子射流体积扩展的影响。

2 实验装置

依据小口径电热化学发射装置的要求,设计了模拟实验装置,它由脉冲功率源、等离子发生器、贮液室和高速录像系统组成。脉冲功率源主要是由电容储能的脉冲形成网络(PFN)组成,如图1所示,实验所用的电容器组的容量为46.5 μF,电感器电感为35 μH。实验主体部分包括等离子发生器(毛细管、电爆炸丝、一对电极、喷嘴、毛细管外的绝缘体和金属壳体)和观察室(贮液室),如图2所示。实验所用毛细管长度为73 mm,内径为6 mm,采用聚乙烯材料,电爆炸丝的材料为铝。贮液室采用四级台阶圆柱渐扩型,由透明的有机玻璃制成,内部充满液体,考虑实验安全性,选用水作为液体介质。等离子射流与液体介质相互作用过程采用FASTCAM-ultima APX高速录像系统进行记录,拍摄频率为3000幅/s。

图1脉冲形成网络

1—自耦变压器, 2—隔离变压器, 3—交流电压表, 4—升压变压器, 5—直流电压表, 6—电容器组, 7—等离子发生器装置, 8—放电开关, 9—放电触发器, 10—阻尼电阻, 11—充电电流表, 12—限流电阻, 13—整流堆

Fig.1Pulse forming network

1—self coupled transformer, 2—isolation transformer, 3—AC voltage meter, 4—boost transformer, 5—DC voltage meter, 6—capacitor group, 7—plasma generator, 8—discharge switch, 9—discharge trigger, 10—damping resistor, 11—charging current meter, 12—current limiting resistor, 13—rectifier

a. schematic diagramb. photograph

图2等离发生器和贮液室

1—贮液室, 2—喷嘴, 3—连接头, 4—金属壳体, 5—绝缘体, 6—阳极, 7—毛细管, 8—电爆炸丝, 9—膜片(阴极)

Fig.2Plasma generator and liquid chamber

1—liquid chamber, 2—nozzle, 3—connection head, 4—metal case, 5—insulator, 6—anode, 7—capillary, 8—electric exploding wire, 9—diaphragm(cathode)

3 实验结果及讨论

3.1 在液体介质中的扩展过程和特性

实验过程中,脉冲功率源将电能加载于等离子发生器的两极,电爆炸丝爆炸形成高温金属等离子体,烧蚀毛细管壁面聚乙烯材料形成等离子体混合物,当其压力超过破膜压力后,等离子射流冲破膜片,从喷嘴喷出并注入贮液室与液体介质相互作用。实验中放电电压UC为3000 V,喷嘴直径d0为2 mm。

脉冲等离子射流在液体介质中的扩展形态演化图如图3所示,选取时间t为0～20 ms的序列照片进行测量分析。图中只截取了贮液室内两相流相互作用的过程,舍去了液体介质受挤压喷入空气的部分。从图中可以看出,脉冲等离子射流与贮液室中的液体介质相互作用形成Taylor空腔,由于贮液室渐扩台阶的径向诱导作用,Taylor空腔整个扩展过程沿着渐扩台阶逐级进行。约1ms的时候,空腔充满第一级贮液室,约4 ms充满第二级,约7 ms充满第三级。扩展过程中轴向扩展比径向扩展快,并且径向位移在达到贮液室壁面以后,受到壁面限制不再扩展。

图3脉冲等离子射流在液体介质中的扩展形态演化图

Fig.3Evolution process of pulsed plasma jet in liquid medium

Taylor空腔与液体介质的两相交界面存在湍流掺混,边界模糊不光滑,同时空腔亮度也有变化,等离子体喷入液体介质后亮度逐渐增强,9 ms时亮度最大,随后又渐渐变暗,后期只能看到零星的亮点。这主要是因为两相交界处不稳定,湍流掺混越来越强,降低了等离子射流的温度,同时形成大量气泡和蒸汽团,加强了遮光效应。

Taylor空腔扩展过程中还出现了振荡现象。扩展初期,0～7 ms,Taylor空腔扩展较快,空腔不断变大并将液体挤压出贮液室; 7～11 ms,Taylor空腔前端面往回运动,液体回流,空腔范围缩小; 11 ms以后又继续向外扩展。这主要是由于等离子射流喷射初期,高温高压射流提供能量推动空腔前端液面向上运动,此时Taylor空腔压力大于水压; 中期由于等离子射流前端的动能耗尽,Taylor空腔的压力小于水压,部分挤压出去的液体回流,使得空腔前端面往回运动; 后期由于Taylor空腔被压缩,增大了空腔的压力,又推动了空腔前端面的运动,进而在贮液室中就出现了Taylor空腔来回振荡的现象。

脉冲等离子射流在液体介质中的扩展形态变化复杂,影响因素较多。为了进一步定量表征等离子射流与液体相互作用的特性,通过运用Photoshop软件,对脉冲等离子射流在液体介质中的扩展形态演化图进行测量,通过比例换算,获得了Taylor空腔的轴向位移(x)和体积(V)随时间(t)变化的曲线,如图4所示。

图4Taylor空腔轴向位移和体积随时间变化的曲线

Fig.4Change curves in axial displacement and volume of Taylor cavity with time

由图4可见,x-t和V-t曲线都是先增大后出现波动,V-t曲线波动幅度比x-t曲线波动幅度大。0～7 ms期间,Taylor空腔的轴向位移和体积都增大,轴向位移扩展的平均速率约为11.2 m·s-1,在7 ms时轴向位移达到第一峰值78.5 mm,之后曲线有微小的波动,于13 ms的时候达最小值71.9 mm,后期基本稳定在74 mm左右。而Taylor空腔体积在7 ms时达到第一峰值42 cm3,随后出现明显的振荡现象,13 ms的时候出现最小值29.2 cm3,之后曲线继续增长,于20 ms达到43.8 cm3。

根据Taylor空腔的体积变化规律,V-t曲线可分为“增长段”和“振荡段”两个阶段。其中Taylor空腔体积由0到体积最大值Vmax为增长段,Vmax以后为体积振荡段。通过曲线拟合,得到Taylor空腔体积随时间变化的经验关系式:

(1)

式中,a、b、c为Taylor空腔体积增长段的参数,A、B、ω、φ为体积振荡段的参数,具体数值如表1所示。

表1Taylor空腔体积随时间变化经验关系式的参数值

Table1Parameter values of experiential formula of changes in the volume of Taylor cavity with time

fittingparameterabcABωφvalue95．51-97．6410．8236．957．070．473．66

3.2 贮液室边界形状的影响

为了探讨贮液室边界形状变化对等离子射流扩展特性的影响,实验所用的贮液室采用三级圆柱渐扩型和四级圆柱渐扩型两种。贮液室边界形状尺寸的设计需要使Taylor空腔扩展过程中能受到壁面约束并沿着渐扩台阶逐级扩展。具体结构尺寸如表2所示。定义每一级台阶的直径增量ΔD与该级台阶的长度L之比为渐扩结构因子n,即:

n=ΔD/L

(2)

表2贮液室结构尺寸

Table2Structure size of liquid chamber

No．typestructuresize/mmD1L1D2L2D3L3D4L41threesteps183030304238--2foursteps1820302042205438

分别对两种贮液室中Taylor空腔的轴向位移和体积随时间变化关系进行测量,所采用的放电电压为3000 V,喷嘴直径为2 mm。Taylor空腔的轴向位移和体积变化曲线如图5所示。由图5a可见,两条曲线的走势都是先增长,后逐渐趋于稳定。0～3 ms期间,两条曲线基本重合,Taylor空腔平均扩展速度约为20.7 m·s-1。3 ms时刻之后,n=0.4的曲线高于n=0.6的曲线,且波动更剧烈,n=0.4的曲线在7 ms的时候达到第一峰值91.5 mm,比n=0.6的曲线的第一峰值大13 mm,增大了16.6%;n=0.4的曲线在13 ms的时候为最小值81.8 mm,比n=0.6的曲线的最小值大10.1 mm。可以看出,贮液室的n越大,Taylor空腔的轴向位移变化越小。另外,由图5b可以看出,0～6 ms期间,两条曲线基本重合,随后两条曲线都出现了明显的波动。n=0.4的曲线在8 ms达到第一峰值47.2 cm3,比n=0.6的曲线第一峰值高5.2 cm3,增大了12.4%;n=0.4的曲线在13 ms达到最小值40.7 cm3,比n=0.6的曲线最小值高11.5 cm3。可以看出,贮液室的n越大,后期Taylor空腔的体积波动越大。这主要是因为: 渐扩结构因子n增大,台阶的径向诱导作用增强,使得两相之间轴向湍流度减弱,径向湍流度增强,导致空腔的轴向位移变化减小,轴向位移的振荡也减弱。同时,由于Taylor空腔轴向扩展能量的减弱,贮液室上端挤压出去液柱回流,进一步压缩了Taylor空腔体积,Taylor空腔内的压力增大,又进一步膨胀,所以渐扩结构因子n越大,Taylor空腔后期的体积波动也越大。

a. x-t curves

b. V-t curves

图5不同贮液室边界形状下Taylor空腔轴向位移和体积变化曲线

Fig.5Change curves in axial displacement and volume of Taylor cavity at different liquid chamber boundary shape

3.3 放电电压的影响

放电电压也是影响等离子射流扩展特性的一个重要参数,分别采取了3000,2500 V和2100 V的放电电压进行实验,喷嘴直径为2 mm。在不同的放电电压下,分别测出了Taylor空腔的轴向位移和体积随时间变化的曲线图,如图6所示。由图6a可知,Taylor空腔的轴向位移是先增大后出现不同程度的波动,放电电压UC为3000,2500 V和2100 V的x-t曲线第一峰值分别是78.5,56.6 mm和50.2 mm,放电电压由3000 V减小到2100 V,轴向位移第一峰值减小了36.1%,由此可知,放电电压越小,Taylor空腔的轴向位移越小。另外,由图6b可以看出,Taylor空腔的体积随时间的变化比轴向位移随时间的变化更剧烈,波动性更强。放电电压UC为3000,2500 V和2100 V的V-t曲线第一峰值分别是42,26.3 cm3和16.5 cm3,放电电压由3000 V减小到2100 V,体积第一峰值减小了60.7%。曲线波动都很剧烈,但是放电电压为2100 V的曲线波动率先出现了第二峰值,其波动频率大,稳定性最差。这可以解释为: 放电电压小,等离子射流的能量小,所以Taylor空腔的内部压力小,空腔的轴向扩展受到液压的限制导致轴向位移变小,空腔能量小导致UC=2100 V的曲线更早降到最小值,液体回流加剧了Taylor空腔与液体介质之间的湍流掺混,导致Taylor空腔体积波动大,不利于扩展过程中的稳定性。

a. x-t curves

b. V-t curves

图6不同放电电压下Taylor空腔轴向位移和体积变化曲线

Fig.6Change curves in axial displacement and volume of Taylor cavity at different discharge voltage

3.4 喷嘴直径的影响

脉冲等离子射流通过喷嘴喷入贮液室中,喷嘴直径的大小对等离子射流的喷射强度有一定影响,为了研究喷嘴直径对等离子射流扩展特性的影响,实验分别采用喷嘴直径d0为2 mm和1.5 mm的喷嘴进行实验,放电电压UC=2700 V,渐扩结构因子n=0.4。经过测定,得到Taylor空腔轴向位移和体积随时间变化的对比曲线,如图7所示。由图7a可知,两条曲线都是先增大后逐渐趋于平稳,d0=2 mm的曲线全程高于d0=1.5 mm的曲线,两条曲线都是在7 ms的时候达到第一峰值,这一时刻Taylor空腔轴向位移第一峰值分别为85.2 mm和62.0 mm,减小了27.2%,且Taylor空腔扩展的平均速度分别为12.2 m·s-1和8.9 m·s-1,相差3.1 m·s-1。可以看出,喷嘴直径越大,Taylor空腔的轴向位移扩展越大,扩展速度也越快。另外,由图7b可见,d0=2 mm的曲线全程高于d0=1.5 mm的曲线,但采用直径为1.5 mm喷嘴实验中形成的Taylor空腔体积率先达到第一峰值22.2 cm3,与采用直径为2 mm喷嘴实验中形成的Taylor空腔体积的第一峰值51.3 cm3相比,减小了56.7%。说明喷嘴直径越大,Taylor空腔的扩展能力越强。主要是因为喷嘴直径越大,等离子射流的质量流量越大,能量越高,导致Taylor空腔中的压力越大,有利于空腔的扩展,所以Taylor空腔的轴向位移和体积变化越大,空腔扩展能力越强。

a. x-t curves

b. V-t curves

图7不同喷嘴直径下Taylor空腔轴向位移和体积变化曲线

Fig.7Change curves in axial displacement and volume of Taylor cavity at different nozzle diameter

4 结 论

实验观察了0～20 ms脉冲等离子射流在液体介质中的扩展过程和形态,测定了Taylor空腔的轴向位移和体积变化的具体数值,讨论了贮液室边界形状、放电电压和喷嘴直径对等离子射流扩展特性的影响,可得出以下结论:

(1) 脉冲等离子射流在液体介质中扩展形成Taylor空腔,空腔边界面褶皱不光滑,Taylor空腔沿着贮液室的渐扩台阶逐级扩展,扩展过程中亮度逐渐增强,于9ms时达到最大亮度后变暗,后期只能看到零星的亮点;

(3) 当放电电压为3000 V,喷嘴直径为2 mm时,贮液室的渐扩结构因子n由0.6减小到0.4,Taylor空腔的扩展能力增强,轴向位移第一峰值增大了16.6%,体积第一峰值增大了12.4%; 放电电压UC由3000 V减小到2100 V,轴向位移第一峰值减小了36.1%,体积第一峰值减小了60.7%; 喷嘴直径d0由2 mm减小到1.5 mm,轴向位移第一峰值减小了27.2%,体积第一峰值减小了56.7%。

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