漸擴(kuò)邊界形狀對(duì)雙股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

薛曉春，余永剛，張 琦，張玉榮，陶成立

（1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210094；2.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，石家莊050003）

整裝式液體發(fā)射藥火炮（BLPG）目前面臨的重大難題之一是內(nèi)彈道穩(wěn)定性控制技術(shù)未能解決，難以工程化應(yīng)用。其核心問題在于解決含能液體在整裝式條件下的燃燒穩(wěn)定性控制方法。整裝式液體發(fā)射藥火炮的內(nèi)彈道過程是：在燃燒室內(nèi)填充液體燃料，初始時(shí)點(diǎn)火熱氣流在整裝式液體藥中形成Taylor空腔，隨著氣穴的加速運(yùn)動(dòng)，高速氣流和燃燒室內(nèi)壁的環(huán)形液體進(jìn)行劇烈的湍流摻混，形成Helmholtz效應(yīng)。這種不穩(wěn)定燃燒的正反饋激勵(lì)機(jī)制使得燃燒過程極為復(fù)雜。20世紀(jì)80年代，Morrision和Knapton[1]總結(jié)出了這些問題的出現(xiàn)主要是由于BLPG的燃燒過程過于依賴液體發(fā)射藥的點(diǎn)燃和在燃燒過程中由流體不穩(wěn)定性引起的氣液摻混。90年代初，Talley和 Bracuti[2－3]提出了采用多級(jí)漸擴(kuò)型藥室結(jié)構(gòu)來控制燃燒的穩(wěn)定性。Puckett、Rosenberger[4－5]等人還提出了采用多藥室組合結(jié)構(gòu)來控制燃燒的穩(wěn)定。為了探索多級(jí)漸擴(kuò)型藥室結(jié)構(gòu)燃燒的機(jī)理，余永剛、齊麗婷、莽珊珊等人[6－10]研究了多級(jí)漸擴(kuò)型觀察室中單股燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)相互作用的特性；余永剛、閆善恒等人[11]探索了雙股燃?xì)馍淞髟诙S平面型觀察室中的擴(kuò)展過程。在此基礎(chǔ)上，本文以整裝式液體發(fā)射藥火炮多點(diǎn)點(diǎn)火為背景，針對(duì)三維多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室，開展了雙股燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，主要討論不同漸擴(kuò)比的觀察室結(jié)構(gòu)對(duì)雙股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

圖1為雙股燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)裝置圖。它主要由燃?xì)獍l(fā)生器、三維多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室和雙孔噴嘴組成。燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)有速燃火藥，利用電點(diǎn)火將其點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，?dāng)燃?xì)獾膲毫Τ^破膜壓力時(shí)，雙股燃?xì)馍淞鲊娙攵嗉?jí)圓柱漸擴(kuò)型充液室中，實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字高速錄像系統(tǒng)記錄整個(gè)噴射過程，為了消除重力對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的影響，將此實(shí)驗(yàn)裝置豎直向上放置，觀察室的上端與大氣相連。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)探討了噴射壓力、噴孔中心間距、噴嘴直徑以及三維多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙股燃?xì)馍淞鞯挠绊?。其中噴射壓力是通過改變裝藥量和紫銅膜片的厚度實(shí)現(xiàn)的。觀察室的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，表中D為觀察室的直徑，L為觀察室每級(jí)臺(tái)階的長(zhǎng)度，可以看出3種結(jié)構(gòu)的觀察室總長(zhǎng)度不變，即L＝90mm。

表1 觀察室的結(jié)構(gòu)尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用A型觀察室結(jié)構(gòu)，即為四級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室，其實(shí)驗(yàn)工況：噴孔中心間距為16mm，噴嘴直徑為0.8mm，噴射壓力為18MPa。圖2為雙股燃?xì)馍淞髟贏型觀察室結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展的序列過程圖。

圖2 雙股燃?xì)馍淞髟贏型觀察室中擴(kuò)展的序列過程

由圖2可見，在雙股射流發(fā)展的整個(gè)過程中，雙股射流的頭部每經(jīng)過一級(jí)臺(tái)階都會(huì)在臺(tái)階處形成一個(gè)明顯的徑向擴(kuò)展現(xiàn)象，且兩股射流的內(nèi)側(cè)邊緣有相互靠近的趨勢(shì)。在剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，兩股射流還未充分發(fā)展，并不能到達(dá)觀察室壁面。當(dāng)t＝1ms時(shí)，兩股射流頭部已經(jīng)擴(kuò)展到第一級(jí)臺(tái)階處，但是兩股射流仍然距離較遠(yuǎn)，當(dāng)t＝2ms時(shí)，兩股射流的頭部已經(jīng)發(fā)展到第三級(jí)臺(tái)階處，且能夠充滿前兩級(jí)臺(tái)階，兩股射流已經(jīng)基本靠近，邊緣處出現(xiàn)鋸齒狀，隨著射流的繼續(xù)推進(jìn)，兩股射流由于彼此的卷吸和干擾發(fā)生交匯現(xiàn)象，且兩股射流均能同步向前發(fā)展，當(dāng)t＝4.5ms時(shí)，雙股射流已經(jīng)合并成一股，并充滿整個(gè)觀察室。通過分析圖2的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可推測(cè)出，在整裝式液體發(fā)射藥火炮中，采用這種四級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室可以減弱由氣液的強(qiáng)烈摻混現(xiàn)象所引起的壓力劇烈振蕩，從而抑制了BLPG燃燒過程中的隨機(jī)脈動(dòng)性。通過對(duì)比莽珊珊等人[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，采用雙股燃?xì)馍淞鼽c(diǎn)火較單股點(diǎn)火，能夠使氣液摻混得更加充分，增加了射流頭部與液體工質(zhì)接觸的面積，使得氣液摻混更多的是在Taylor空腔表面進(jìn)行，并隨著Taylor空腔的發(fā)展協(xié)同進(jìn)行，減少了殘留在觀察室壁面的環(huán)形液體工質(zhì)，從而抑制了Helmholtz的不穩(wěn)定效應(yīng)。

圖3為A型結(jié)構(gòu)中，采用不同的噴射壓力p（10.8 MPa、18 MPa、28.8 MPa）時(shí)軸向速度的對(duì)比圖，實(shí)驗(yàn)工況：噴孔中心間距為16mm，噴嘴直徑為0.8 mm。圖4為采用不同的噴孔中心間距s（16mm、20mm）時(shí)軸向速度的對(duì)比圖（噴嘴直徑為0.8mm，噴射壓力為28.8 MPa）。圖3和圖4是通過處理雙股燃?xì)馍淞鞯男蛄羞^程圖中Taylor空腔擴(kuò)展的頭部外輪廓計(jì)算得到的。由圖可見，增加噴射壓力，射流的軸向速度增大，氣液的湍流摻混更加強(qiáng)烈，而當(dāng)噴孔間距較大時(shí)，兩股射流距臺(tái)階較近，因此由臺(tái)階引起的徑向擾動(dòng)較早，兩股射流沿著軸向的擴(kuò)展速度變慢，最終匯聚的時(shí)間也較晚。

圖3 不同噴射壓力下的v－t圖

圖4 不同噴孔間距下的v－t圖

圖5為采用B型觀察室結(jié)構(gòu)，即三級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室時(shí)，雙股燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展的序列過程圖，其實(shí)驗(yàn)工況與圖2相同。

通過處理圖2和圖5中雙股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展的序列過程圖，計(jì)算得到2種漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)中射流的軸向擴(kuò)展速度和加速度對(duì)比圖，如圖6、圖7所示。

圖5 雙股燃?xì)馍淞髟贐型觀察室中擴(kuò)展的序列過程

圖6 不同漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)下的v－t曲線（A型和B型）

圖7 不同漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)下的a－t圖（A型和B型）

由圖6可見，2種結(jié)構(gòu)下雙股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展的規(guī)律基本相同，但是在B型結(jié)構(gòu)中雙股燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展速度明顯大于A型結(jié)構(gòu)中的，由圖7可見，2種結(jié)構(gòu)下射流的軸向加速度a的擴(kuò)展規(guī)律基本相同，由此說明，漸擴(kuò)臺(tái)階級(jí)數(shù)的變化對(duì)射流的軸向加速度影響不大。仔細(xì)觀察圖2和圖5還可以發(fā)現(xiàn)，雙股燃?xì)馍淞髟贐型結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展時(shí)，在起始階段除了軸向擴(kuò)展速度較快之外，其它的現(xiàn)象基本相似，但當(dāng)t＝2.5ms時(shí)，圖5中雙股燃?xì)馍淞鞯牡撞砍霈F(xiàn)輕微的卷吸現(xiàn)象，隨著雙股燃?xì)馍淞鞯睦^續(xù)擴(kuò)展，兩股射流底部的卷吸越來越強(qiáng)烈，直至雙股射流發(fā)展到最后一個(gè)臺(tái)階時(shí)，在第一級(jí)臺(tái)階底部已經(jīng)可以看到劇烈的氣液摻混及卷吸現(xiàn)象。由此可推測(cè)，在整裝式液體發(fā)射藥火炮中，這種間歇性的氣液湍流摻混現(xiàn)象很容易導(dǎo)致壓力的劇烈脈動(dòng)，使壓力出現(xiàn)第二峰值，造成BLPG燃燒過程的不穩(wěn)定性。而在圖2中，氣液的摻混是逐步向前推進(jìn)的，并不存在這種間歇性的底部氣液摻混現(xiàn)象。因此，可以通過改變多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室的級(jí)數(shù)來控制雙股燃?xì)馍淞髟跐u擴(kuò)型充液室中的擴(kuò)展特性。

采用C型觀察室結(jié)構(gòu)，在B型的基礎(chǔ)上增加第一級(jí)的長(zhǎng)度，但保持總長(zhǎng)度不變，其實(shí)驗(yàn)工況仍然與圖2相同。雙股燃?xì)馍淞髟贑型觀察室結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展的序列過程圖，如圖8所示。

圖8 雙股燃?xì)馍淞髟贑型觀察室中擴(kuò)展的序列過程

通過對(duì)比圖5和圖8，可以發(fā)現(xiàn)圖8中，在剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，兩股射流的頭部呈現(xiàn)出比較尖銳的錐狀，僅沿著軸向發(fā)展得很快，當(dāng)t＝2ms時(shí)，雙股射流的頭部已經(jīng)擴(kuò)展到第二級(jí)臺(tái)階處，兩股射流沿著徑向在臺(tái)階處擴(kuò)展并不是很明顯，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)t＝3.5ms時(shí)，兩股射流的頭部才逐漸沿徑向和軸向同時(shí)擴(kuò)展，但是每經(jīng)過一級(jí)臺(tái)階兩股射流的頭部并不能在臺(tái)階處形成一個(gè)很明顯的徑向擴(kuò)展帶。而圖3中兩股射流的頭部基本成圓弧狀，且能沿著徑向和軸向同時(shí)擴(kuò)展，尤其當(dāng)兩股射流擴(kuò)展到臺(tái)階處時(shí)，能看到很明顯的徑向擴(kuò)展現(xiàn)象。通過處理圖5和圖8中雙股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展的序列過程圖，計(jì)算得到射流在B型和C型2種漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)中軸向擴(kuò)展速度和加速度曲線對(duì)比圖，如圖9、圖10所示。

圖9 不同漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)下的v－t圖（B型和C型）

圖10 不同漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)下的a－t圖（B型和C型）

從圖9中可以看出，雙股燃?xì)馍淞髟贑型中的軸向擴(kuò)展速度較快，而從圖10中可以看出，2種結(jié)構(gòu)下射流的軸向加速度基本接近，這說明漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的不同對(duì)射流的軸向加速度影響較小。

3 結(jié)論

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下的結(jié)論：

① 采用三維多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型觀察室可以減緩Taylor空腔與Helmholtz不穩(wěn)定性效應(yīng)的正反饋機(jī)制，從而改善氣液的湍流摻混特性。而采用雙股燃?xì)馍淞鬏^單股燃?xì)馍淞?，能夠使氣液摻混得更加充分，增加了射流頭部與液體工質(zhì)的接觸面積，使氣液混合更多的是在Taylor腔表面進(jìn)行，減少了殘留在觀察室壁面的環(huán)形液體工質(zhì)，抑制了Helmholtz的不穩(wěn)定效應(yīng)。

② 噴射壓力越大，雙股燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展速度也越大，氣液的湍流摻混更加強(qiáng)烈；噴孔間距越大，雙股燃?xì)馍淞鞯妮S向擴(kuò)展速度越小，射流沿徑向擴(kuò)展較為明顯，最終發(fā)生匯聚的時(shí)間較晚。

③ 采用不同的漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)雙股燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展形態(tài)產(chǎn)生不同的影響，在等長(zhǎng)的觀察室結(jié)構(gòu)中，通過控制觀察室的級(jí)數(shù)和第一級(jí)的長(zhǎng)度，可以有效控制雙股燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中的擴(kuò)展特性，從而達(dá)到改善氣液湍流摻混特性的目的。

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