水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程.建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程.研究结果表明:燃气射流冲击水面时,燃气泡形态在膨胀阶段受...     

水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性

为研究水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性,在压力水筒中开展了大扩张比锥形喷管的固体火箭发动机水下点火实验,并基于雷诺时均Navier-Stokes（RANS）方法和流体体积（VOF）模型进行数值求解,分析了过膨胀燃气射流与水介质的相互作用过程。研究表明：超声速过膨胀燃气建立射流通道后,射流核心区长度随喷管落压比的减少而减少;射流核心区剧烈振荡,表现为高频的膨胀和收缩,振荡频率随喷管落压比的减小而增加,范围为100~200 Hz;射流边界不断振荡,并伴随波系结构变化,当过膨胀程度较大时,激波进入喷管使其发生流动分离现象,流动分离点周期性往复移动;分离区内压力脉动没有显著的特征频率,主要集中在100~600 Hz的宽频带,锥形喷管水下流动分离的简易判据为喷管出口压力不低于环境背压的0.44倍。     

压力波作用下二维椭圆形气泡界面演化规律研究

水中压力波与气泡相互作用研究是解决空泡群溃灭问题的核心基础。射流是压力波作用下气泡非球形演化的最显著特征。本文通过数值模拟方法分析了水中压力波加载下二维椭圆形气泡的界面演化规律。结果表明,射流的生成位置与气泡倾角无关,方向与其密切相关。当气泡倾角等于0°,在气泡长轴两端生成两个方向相反的射流,最终与压力波传播方向相同的射流占主导。当气泡倾角等于90°,在气泡长轴两端生成两个对称射流,其与压力波传播方向夹角为53.9°。通过定量分析涡量方程式中各项的作用,揭示界面处压力梯度和密度梯度不共线导致的斜压机制是射流形成的主要原因。最后,通过改变椭圆形气泡倾斜角度,获得了气泡倾角与射流角度的关系。     

水下高速射流气泡变化过程数值研究

为研究水下高速射流气泡变化规律,采用VOF(Volume of Fluids)模型分别对水下等温高速气体射流和热高速气体射流动态流场进行了气水耦合数值求解。其中热射流考虑了汽化因素对气泡内气流场的影响,数值模拟了气泡的形成、发展、断裂及融合过程,揭示了气泡中压力和马赫数等参数的变化规律,得出了水下点火初期的流场特征。研究发现:在相同入口压力下,热射流产生气泡的空间尺度比等温射流产生的气泡空间尺度要小;气泡发展过程中会出现颈缩,也可能断裂,断裂与否取决于气泡颈缩处内外压差,气泡的颈缩与断裂是产生压力脉动的重要因素,并决定了压力峰的位置和大小,气泡断裂位置越靠近喷管出口,压力峰值越大,该压力峰值会影响火箭发动机尾流场特性。     

圆形和矩形燃气射流在受限液体中扩展特性的对比研究

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。     

导弹水下发射近筒口点火时机选择影响研究

潜射导弹蒸汽-燃气弹射出筒时,弹尾会附着燃气泡,该尾空泡的发展形态会对水下点火燃气射流流场的建立产生影响。为了研究水下发动机不同工作状态发射流场结构变化及原因,采用Mixture模型和动网格技术对发动机处于尾空泡的三种包覆状态:扩张初期、收缩初期、完全闭合状态(对应点火位置分别为2.2m,4.3m,6.5m)的燃气射流动态流场进行数值模拟。仿真结果表明,尾空泡收缩程度越大,发动机喷管流场结构越复杂,尾空泡不断地膨胀-颈缩,使得发射平台受到较大的压强脉动;当尾空泡未处于收缩状态阶段且发动机运动一定安全距离4.3m时点火,既有利于燃气射流流场的建立,同时发射筒及艇体受到的压力脉动最小,从而有效地提高了水下点火发射的安全性。     

固体火箭燃气射流近场形成与发展的数值模拟

固体火箭武器燃气射流的近场区域存在有复杂的波系，膨胀波、压缩波的混合作用是机-弹、弹-舰相容性研究的重要内容，复杂波系压力、温度场的分布是燃气射流动力冲击和热冲击作用的直接因素。因为这一区域流动的复杂性，使得实验研究非常困难。为此应用数值分析的方法，研究了固体火箭高度欠膨胀燃气射流流场起始冲击波、近场波系的形成及发展。计算结果揭示了近场区域的一些特性，与文献提供的数据较为吻合，为工程应用提供了帮助。     

空中声源水下声场的简正波建模方法

空水界面声信号传播特性是水下检测空中声源首先要研究的问题,文中讨论了空中声源在水下产生声场的简正波模型,仿真分析了空中声源的水下声场,比较了简正波方法与射线方法、快速场方法对空中声源在水下产生的声场传播损失。结论表明简正波方法适用于远场传播损失。     

水下合成双射流流场特性与推力特性实验研究

为实现合成双射流技术在水下航行器上的应用,对水下合成双射流开展了流场特性和推力特性的实验研究,分析了水下合成双射流的平均流场特性和推力特性。实验得到了激励器出口不同位置处平均流场流向速度分布情况和水下合成双射流峰值推力随激励器驱动频率的变化规律,并研究了驱动电压幅值和波形对流场及推力的影响。实验发现:存在最佳频率使得水下合成双射流推力达到最大;驱动电压幅值越大,推力越大;不同波形的电压所产生的推力不同,矩形波所产生的推力相对正弦波和三角波所产生的推力更大。     

封闭水域内固体火箭发动机尾流结构数值研究

为了研究固体火箭发动机在封闭水域中工作时尾流场特性参数变化规律,建立三维空间模型,忽略重浮力等体积力及燃气与水之间的换热传质,采用Realizable k-ε湍流模型与VOF(Volume of fluid)多相流模型,针对试验水箱内固体发动机在不同水深条件下的工作过程进行数值模拟,获得尾流流场燃气射流形貌,以及水箱壁...     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。     

双燃式冲压发动机中富油燃气射流的超燃研究

在空气流量1.2kg/s左右的地面连管试验台上，研究了双册槽结构的超燃室中多股高温富油燃气射流的超燃特性。试验结果表明，超燃点火可靠，火焰稳定，超燃效率可达0.8以上。因此超燃新方案是可行的。     

准二维水下超声速垂直过膨胀射流研究

阐述了水下超声速气体垂直过膨胀射流的准二维实验研究和射流的数值计算结果。利用高速摄影仪在1000帧/s的拍摄速度下实时记录了过膨胀工况下水下垂直射流的喷射状态,清晰显示了水下气体垂直射流的演化过程;并利用专业软件FLUENT,对实验Laval喷嘴内外纯气相流场进行了数值计算,发现喷口附近存在复杂激波区,辅助分析了水下高速气体垂直射流的动态不稳定性形貌。实验与计算表明：在保持较小射流流量和保障较大马赫数的条件下,水下超声速垂直射流在水环境中引发的回击频率会得到减弱;准回击现象的发现证实了这一结论。这对于工程应用中的风口材料的＂空蚀效应＂的减弱提供了理论依据。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

Numerical investigation on flow mechanism in a supersonic fluidic oscillator

A type of supersonic fluidic oscillator is proposed and its ability to generate pulsating supersonic jet is proved in this paper. Unsteady two-dimensional numerical simulations reveal that the fluid transforms from subsonic to supersonic condition in the mixing chamber of oscillator after the supplied flow pressure increases from 1.1 × 10⁵ Pa to 5.0 × 10⁵ Pa. When the supersonic flow is formed inside the oscillator, the wall-attached flow represents expansion wave and compression wave alternately. The oscillating frequency will saturate to a certain value with the increase of supplied pressure. Examination of the internal fluid dynamics indicates that the flow direction inside the FeedBack Channel (FBC) is related to the change of the local pressure at the inlet and the outlet of the feedback channel. The vortices produced in the mixing chamber present different distribution characteristics with the change of the fluid’s direction in the FBC. The sweeping jet is divided into two jets with varying flow rate over time by the splitter. In the end of two channels, two jets are accelerated above sound speed by convergent-divergent nozzle. Therefore, pulsating supersonic jets are produced at two outlets for this type of fluidic oscillator.     

Experimental investigation of hot and cold side jet interaction with a supersonic cross-flow

This paper reports on experimental aerodynamic investigations on a high-speed missile with side jet control especially with regard to the interaction of cold and hot side jets with supersonic cross-flow. The hot jets were generated with solid propellants. To analyze the effect of the hot jet in relation to side jet control, wall pressure distributions were measured in the area of jet interaction. As a test parameter, the jet pressure ratio was varied and schlieren images were taken to visualize the shocks. In addition, the development of large-scale vortex structures on hot gas jets was detected with high-speed videos. The frame sequences show periodical turbulent jet structures and permit the manual evaluation of their spatial distribution. Analyzing the images, the convection velocities of the large-scale structures and their convection angles were determined. The convection velocities reach the magnitude of cross-flow velocity shortly behind the hot jet exit.     

射流间的声屏蔽对啸叫的作用

用纹影流动显示、声学特性测量和理论分析相结合方法，研究欠膨胀超声速双射流布局对声学特性的影响。欠膨胀超声速双射流的啸叫基频模式与单自由射流相比，在模式切换对应压比上不同，但基本规律相同。但双射流的三维空间流动特性，使不同空间方位上测得的声学特性不同，射流间对彼此处于螺旋啸叫C模式的声辐射有显著的屏蔽作用，在上、下游靠近主轴的方位角处屏蔽效果最大。利用双射流的声屏蔽特性，可达到降噪目的。     

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。