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等离子射流在不同介质中扩展特性研究

等离子射流在不同介质中扩展特性研究

作者：薛皓琦南京理工大学

学位级别：硕士

液体工质电热化学炮是一种新概念火炮,其内弹道过程及其复杂,为攻克其内弹道稳定性问题。本文以液体工质电热化学炮为工程背景,针对等离子射流在不同介质中的扩展过程进行了实验研究和数值模拟。主要研究内容及成果如下:(1)设计并搭建... 详细信息

液体工质电热化学炮是一种新概念火炮,其内弹道过程及其复杂,为攻克其内弹道稳定性问题。本文以液体工质电热化学炮为工程背景,针对等离子射流在不同介质中的扩展过程进行了实验研究和数值模拟。主要研究内容及成果如下:(1)设计并搭建了实验装置及测量系统,观测等离子射流在不同介质中的扩展特性。结果表明:等离子射流在大气中扩展时,其轴向扩展位移一直在增大,而径向扩展位移先增大后减小,射流头部逐渐尖锐,射流尾部逐渐拉伸成细长的柱状。等离子射流在液体中扩展时,其轴向及径向扩展位移都在增大,但径向扩展明显弱于轴向扩展。等离子射流在介质中扩展时,湍流掺混现象不断加剧,导致射流边界破碎不光滑。(2)建立了等离子射流在介质中扩展的非稳态二维轴对称理论模型,将等离子近似作为高温理想气体处理,等离子射流与空气介质、液体介质相互作用选用了不同的湍流掺混模型。利用ICEM CFD软件进行计算域的设计以及网格划分。通过与实验结果对比,等离子射流轴向扩展位移计算值与实测值的误差小于4%,说明所建立模型是合理可行的。(3)开展了等离子射流在大气中扩展过程的数值模拟,分析了喷射压力、喷孔直径变化对射流场时空分布特性的影响。结果表明:等离子射流扩展初期以径向扩展占主导,中后期以轴向扩展占主导,扩展过程中两相间湍流掺混现象不断加剧。喷射压力越大,射流扩展能力越强,两相间的湍流掺混现象越剧烈,压力场、速度场和温度场的脉动也越大;喷孔直径越大,同一时刻等离子射流体积流量就越大,同样使得射流场压力、速度和温度时空分布波动也越大。(4)开展了等离子射流在液体中扩展过程的数值模拟,分析了等离子射流在扩展过程中的形态变化以及压力场、速度场、温度场的分布特性。结果表明:等离子射流扩展过程中,射流压力场、速度场、温度场由于膨胀波-压缩波交替作用均存在波动现象。射流头部因Taylor不稳定性逐渐凸出,近喷孔处出现颈缩现象。等离子射流与液体间湍流掺混较剧烈。喷射压力越大,等离子射流与液体间的湍流掺混越剧烈,射流头部高压区压力值越大。但喷孔直径增大对湍流掺混现象的影响不是单调递增的。此外,等离子射流在粘度较大的模拟液体药中扩展时,总体规律和以上相似,只是扩展过程变慢。

关键词：等离子射流 Taylor空腔湍流掺混数值计算液体工质电热化学炮

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轴流压气机转子叶尖泄漏堵塞特性的试验研究

航空学报 2013年第12期34卷 2682-2691页

作者：刘宝杰张志博于贤君北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191

在低速大尺寸压气机试验台上,利用体视粒子图像测速(SPIV)技术详细测量了不同气动负荷水平的叶片、不同转子叶尖间隙大小和不同工作状态时转子通道内部的流场结构。定量分析了不同测量条件下转子通道内堵塞分布特点,讨论了影响堵塞发展... 详细信息

在低速大尺寸压气机试验台上,利用体视粒子图像测速(SPIV)技术详细测量了不同气动负荷水平的叶片、不同转子叶尖间隙大小和不同工作状态时转子通道内部的流场结构。定量分析了不同测量条件下转子通道内堵塞分布特点,讨论了影响堵塞发展的物理机制,旨在为转子尖部流动控制和模化研究提供必要的理论帮助。结果表明:在本文的各种测量条件下,叶尖泄漏堵塞均呈现非线性、非单调性的特征,通常在叶片通道内出现堵塞峰值;叶片通道内的逆压梯度是堵塞增长的重要物理机制,在逆压梯度环境下,堵塞起始区域的流量越大,堵塞增长得越迅速,堵塞起始区域流体的总压损失越高,堵塞越容易引起失速;泄漏流与主流之间存在较强的湍流掺混,在这个物理过程中,黏性和湍流脉动所带来的主流与泄漏流之间的动能输运是使得堵塞衰减的主要物理机制。

关键词：叶尖泄漏涡端壁堵塞逆压梯度湍流掺混体视粒子图像测速压气机

高压燃气射流在整装液体中扩展过程的实验和数值模拟

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爆炸与冲击 2011年第3期31卷 300-305页

作者：莽珊珊余永刚南京理工大学理学院江苏南京210094 南京理工大学动力工程学院江苏南京210094

为研究高压燃气射流在整装液体中的扩展规律,探索提高射流稳定性的控制方法,设计了4级渐扩型圆柱观察室。采用高速录像系统,观察了燃气射流在液体模拟工质中扩展与掺混的过程,获得了射流扩展形态的序列照片,测量了Taylor空腔的扩展速度... 详细信息

为研究高压燃气射流在整装液体中的扩展规律,探索提高射流稳定性的控制方法,设计了4级渐扩型圆柱观察室。采用高速录像系统,观察了燃气射流在液体模拟工质中扩展与掺混的过程,获得了射流扩展形态的序列照片,测量了Taylor空腔的扩展速度,对比了观察室内壁形状对射流扩展过程的影响。建立了二维轴对称气液两相湍流模型,模拟射流扩展过程,计算得到的Taylor空腔扩展形态和扩展速度与实验吻合较好。研究结果表明,渐扩型观察室台阶处出现涡流,诱导射流径向扩展,可抑制Kelvin-Helmholtz不稳定效应,采用阶梯渐扩型边界有助于提高射流稳定性。

关键词：流体力学燃气射流湍流掺混气液相互作用

锥形多股火药燃气射流与液体工质相互作用的实验研究

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含能材料 2015年第11期23卷 1055-1060页

作者：赵嘉俊余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了解水下枪械的发射机理,设计了锥形多股火药燃气射流与水相互作用的模拟实验装置,借助高速摄像机研究了不同喷射压力、不同喷孔直径对多股燃气射流扩展特性的影响。实验结果表明:喷射压力增大,燃气射流的扩展速度增大,扩展过程中湍... 详细信息

为了解水下枪械的发射机理,设计了锥形多股火药燃气射流与水相互作用的模拟实验装置,借助高速摄像机研究了不同喷射压力、不同喷孔直径对多股燃气射流扩展特性的影响。实验结果表明:喷射压力增大,燃气射流的扩展速度增大,扩展过程中湍流不稳定性增强,气液卷吸程度加剧;喷射压力从10.8 MPa提高到28.8 MPa,中心射流的扩展速度增大28%,侧孔射流的扩展速度增大40%;中心喷孔直径由2 mm增大到3 mm,中心射流的扩展速度增大29%,侧孔射流的扩展速度增大26%,但射流的速度下降趋势更明显,而侧面喷孔直径的变化对射流扩展速度影响较小。

关键词：气液相互作用多股燃气射流湍流掺混高速摄影

双束燃气射流与整装式液体装药相互作用的实验和数值模拟

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兵工学报 2013年第6期34卷 669-677页

作者：薛晓春余永刚张琦南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京290014

为了探索整装式液体发射药火炮(BLPG)内弹道稳定性的控制方法,设计了5级圆柱渐扩型观察室和圆柱观察室,开展了双束燃气射流在液体药模拟工质中扩展的实验研究。实验结果表明,渐扩型结构能够抑制Taylor空腔与Kelvin-Helmholtz不稳定性效... 详细信息

为了探索整装式液体发射药火炮(BLPG)内弹道稳定性的控制方法,设计了5级圆柱渐扩型观察室和圆柱观察室,开展了双束燃气射流在液体药模拟工质中扩展的实验研究。实验结果表明,渐扩型结构能够抑制Taylor空腔与Kelvin-Helmholtz不稳定性效应的正反馈机制。在实验基础上,建立了三维非稳态数理模型,模拟了不同观察室结构下,双束燃气射流在液体工质中的扩展过程,获得了射流场中密度、压力和温度的分布图。模拟结果表明:圆柱渐扩型观察室中,由于渐扩台阶的诱导作用,强化了气液在径向的湍流掺混效应,抑制了射流的轴向湍流度;且射流的外轮廓相对较光滑。双束射流轴向位移的计算值与实验结果吻合较好。

关键词：兵器科学与技术双束燃气射流湍流掺混扩展形态数值模拟

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双股燃气射流在充液室内扩展特性的实验研究

爆炸与冲击 2013年第5期33卷 449-455页

作者：薛晓春余永刚张琦南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了探索高温高压双股燃气射流在整装式液体工质中的扩展特性,设计了五级圆柱渐扩型观察室和圆柱型观察室,借助数字高速录像系统,观察了双股燃气射流在充液室中的扩展过程,对比了不同的观察室边界以及不同的参数条件对双股燃气射流扩展... 详细信息

为了探索高温高压双股燃气射流在整装式液体工质中的扩展特性,设计了五级圆柱渐扩型观察室和圆柱型观察室,借助数字高速录像系统,观察了双股燃气射流在充液室中的扩展过程,对比了不同的观察室边界以及不同的参数条件对双股燃气射流扩展过程的影响。实验结果表明,圆柱渐扩型观察室结构更有助于改善气液的掺混特性,通过参数的合理匹配可以一定程度上控制双股燃气射流在三维充液室中的扩展过程。

关键词：流体力学扩展特性圆柱渐扩型观察室双股燃气射流湍流掺混

边界形状对4股燃气射流扩展稳定性影响的数值模拟

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兵工学报 2018年第9期39卷 1692-1700页

作者：冯博声薛晓春南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为研究提高整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的方法,从充液室结构出发,分析了冷态条件下边界形状对4股燃气射流扩展稳定性的影响。采用高速数字摄像系统,记录了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中扩展过程。在此基础上,建立了气体与液... 详细信息

为研究提高整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的方法,从充液室结构出发,分析了冷态条件下边界形状对4股燃气射流扩展稳定性的影响。采用高速数字摄像系统,记录了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中扩展过程。在此基础上,建立了气体与液体相互作用的三维非稳态数理模型,模拟了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型、圆锥型和圆柱型观察室中扩展过程,获得了射流场三维两相分布图、压力和温度分布图。研究结果表明:4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中轴向位移的模拟值与实验结果较吻合;圆柱渐扩型和圆锥型观察室都可以增强燃气射流的径向扩展,有效抑制Taylor空腔与Helmholtz不稳定效应的正反馈机制;圆柱渐扩型由于台阶逐渐诱导作用,近喷孔处温度场无剧烈脉动,射流扩展更加稳定。

关键词： 4股燃气射流 Taylor扩展特性湍流掺混数值模拟

柱形充液室内多股燃气射流流场的气体与液体两相流场演化特性

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兵工学报 2016年第10期37卷 1852-1859页

作者：赵嘉俊余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

基于水下枪炮发射的工程背景,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实验观测和数值模拟研究。实验观测采用高速录像记录,数值模型采用流体体积函数模型来描述液体环境中多个燃气泡的扩展,数值模... 详细信息

基于水下枪炮发射的工程背景,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实验观测和数值模拟研究。实验观测采用高速录像记录,数值模型采用流体体积函数模型来描述液体环境中多个燃气泡的扩展,数值模拟结果与实验观测结果相符。数值仿真结果表明:喷孔轴线上的燃气压力经历下降和上升的过程后达到稳定值,空腔附近的水流场由于燃气作用出现压力峰,随后逐渐衰减;在燃气空腔扩展的过程中,离喷孔距离越远的截面上燃气-水流场的压力分布越均匀,截面平均压力随着空腔扩展逐渐下降;随着时间的增长,截面上气体组分分数可达70%.

关键词：兵器科学与技术气体与液体相互作用多股燃气射流湍流掺混数值计算

圆形和矩形燃气射流在受限液体中扩展特性的对比研究

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推进技术 2016年第9期37卷 1638-1648页

作者：胡志涛余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为研究不同喷孔结构的燃气射流在受限液体工质空间的扩展特性,采用VOF(Volume of fluids)模型分别对圆柱形充液室中圆形射流和矩形射流扩展过程进行气水耦合数值求解。考虑了燃气可压缩性、流体粘性和热量交换因素对射流扩展特性的影响... 详细信息

为研究不同喷孔结构的燃气射流在受限液体工质空间的扩展特性,采用VOF(Volume of fluids)模型分别对圆柱形充液室中圆形射流和矩形射流扩展过程进行气水耦合数值求解。考虑了燃气可压缩性、流体粘性和热量交换因素对射流扩展特性的影响。通过数值模拟,获得圆形射流扩展形态及轴向速度计算值,与实验结果吻合较好。在此基础上,进一步对比分析了矩形射流和圆形射流的扩展特性,获得射流场中密度、压力、温度和速度的分布图以及涡的演化过程。计算结果表明:燃气自喷孔喷出,由于出口处压力较大,高温燃气继续膨胀产生膨胀波,膨胀波在气液界面反射形成压缩波,圆形射流的膨胀波和压缩波均比矩形射流强。燃气射流扩展过程中,由于周围液体惯性效应,气液卷吸掺混效应以及膨胀压缩波作用,圆形射流的压力场和温度场分布较矩形射流更加复杂,同时刻的圆形射流轴向扩展速度也比矩形射流小。从速度云图发现矩形射流的速度核心区比圆形射流速度核心区要短;同时从圆形射流和矩形射流不同截面流向速度分布图发现流向速度峰值均发生了偏移,但矩形射流发生偏移的区间更长,偏离距离更远。

关键词：水下燃气射流扩展特性湍流掺混气液相互作用