薛曉春，余永剛，張 琦，張玉榮，陶成立

（1.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京210094；2.軍械工程學院 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彈道穩(wěn)定性控制技術未能解決，難以工程化應用。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)射藥火炮的內彈道過程是：在燃燒室內填充液體燃料，初始時點火熱氣流在整裝式液體藥中形成Taylor空腔，隨著氣穴的加速運動，高速氣流和燃燒室內壁的環(huán)形液體進行劇烈的湍流摻混，形成Helmholtz效應。這種不穩(wěn)定燃燒的正反饋激勵機制使得燃燒過程極為復雜。20世紀80年代，Morrision和Knapton[1]總結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]提出了采用多級漸擴型藥室結構來控制燃燒的穩(wěn)定性。Puckett、Rosenberger[4－5]等人還提出了采用多藥室組合結構來控制燃燒的穩(wěn)定。為了探索多級漸擴型藥室結構燃燒的機理，余永剛、齊麗婷、莽珊珊等人[6－10]研究了多級漸擴型觀察室中單股燃氣射流與液體工質相互作用的特性；余永剛、閆善恒等人[11]探索了雙股燃氣射流在二維平面型觀察室中的擴展過程。在此基礎上，本文以整裝式液體發(fā)射藥火炮多點點火為背景，針對三維多級圓柱漸擴型觀察室，開展了雙股燃氣射流與液體工質相互作用的實驗研究，主要討論不同漸擴比的觀察室結構對雙股燃氣射流擴展過程的影響。

1 實驗裝置與原理

圖1為雙股燃氣射流在液體工質中擴展的實驗裝置圖。它主要由燃氣發(fā)生器、三維多級圓柱漸擴型觀察室和雙孔噴嘴組成。燃氣發(fā)生器內有速燃火藥，利用電點火將其點燃，產生高溫高壓的燃氣，當燃氣的壓力超過破膜壓力時，雙股燃氣射流噴入多級圓柱漸擴型充液室中，實驗采用數(shù)字高速錄像系統(tǒng)記錄整個噴射過程，為了消除重力對實驗過程的影響，將此實驗裝置豎直向上放置，觀察室的上端與大氣相連。

圖1 實驗裝置示意圖

實驗探討了噴射壓力、噴孔中心間距、噴嘴直徑以及三維多級圓柱漸擴型觀察室的結構參數(shù)對雙股燃氣射流的影響。其中噴射壓力是通過改變裝藥量和紫銅膜片的厚度實現(xiàn)的。觀察室的結構參數(shù)如表1所示，表中D為觀察室的直徑，L為觀察室每級臺階的長度，可以看出3種結構的觀察室總長度不變，即L＝90mm。

表1 觀察室的結構尺寸

2 實驗結果及分析

實驗采用A型觀察室結構，即為四級圓柱漸擴型觀察室，其實驗工況：噴孔中心間距為16mm，噴嘴直徑為0.8mm，噴射壓力為18MPa。圖2為雙股燃氣射流在A型觀察室結構中擴展的序列過程圖。

圖2 雙股燃氣射流在A型觀察室中擴展的序列過程

由圖2可見，在雙股射流發(fā)展的整個過程中，雙股射流的頭部每經過一級臺階都會在臺階處形成一個明顯的徑向擴展現(xiàn)象，且兩股射流的內側邊緣有相互靠近的趨勢。在剛開始的一段時間內，兩股射流還未充分發(fā)展，并不能到達觀察室壁面。當t＝1ms時，兩股射流頭部已經擴展到第一級臺階處，但是兩股射流仍然距離較遠，當t＝2ms時，兩股射流的頭部已經發(fā)展到第三級臺階處，且能夠充滿前兩級臺階，兩股射流已經基本靠近，邊緣處出現(xiàn)鋸齒狀，隨著射流的繼續(xù)推進，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t＝4.5ms時，雙股射流已經合并成一股，并充滿整個觀察室。通過分析圖2的實驗現(xiàn)象可推測出，在整裝式液體發(fā)射藥火炮中，采用這種四級圓柱漸擴型觀察室可以減弱由氣液的強烈摻混現(xiàn)象所引起的壓力劇烈振蕩，從而抑制了BLPG燃燒過程中的隨機脈動性。通過對比莽珊珊等人[10]的實驗結果可以明顯發(fā)現(xiàn)，采用雙股燃氣射流點火較單股點火，能夠使氣液摻混得更加充分，增加了射流頭部與液體工質接觸的面積，使得氣液摻混更多的是在Taylor空腔表面進行，并隨著Taylor空腔的發(fā)展協(xié)同進行，減少了殘留在觀察室壁面的環(huán)形液體工質，從而抑制了Helmholtz的不穩(wěn)定效應。

圖3為A型結構中，采用不同的噴射壓力p（10.8 MPa、18 MPa、28.8 MPa）時軸向速度的對比圖，實驗工況：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）時軸向速度的對比圖（噴嘴直徑為0.8mm，噴射壓力為28.8 MPa）。圖3和圖4是通過處理雙股燃氣射流的序列過程圖中Taylor空腔擴展的頭部外輪廓計算得到的。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烈，而當噴孔間距較大時，兩股射流距臺階較近，因此由臺階引起的徑向擾動較早，兩股射流沿著軸向的擴展速度變慢，最終匯聚的時間也較晚。

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型觀察室結構，即三級圓柱漸擴型觀察室時，雙股燃氣射流在液體工質中擴展的序列過程圖，其實驗工況與圖2相同。

通過處理圖2和圖5中雙股燃氣射流擴展的序列過程圖，計算得到2種漸擴型結構中射流的軸向擴展速度和加速度對比圖，如圖6、圖7所示。

圖5 雙股燃氣射流在B型觀察室中擴展的序列過程

圖6 不同漸擴結構下的v－t曲線（A型和B型）

圖7 不同漸擴結構下的a－t圖（A型和B型）

由圖6可見，2種結構下雙股燃氣射流擴展的規(guī)律基本相同，但是在B型結構中雙股燃氣射流的軸向擴展速度明顯大于A型結構中的，由圖7可見，2種結構下射流的軸向加速度a的擴展規(guī)律基本相同，由此說明，漸擴臺階級數(shù)的變化對射流的軸向加速度影響不大。仔細觀察圖2和圖5還可以發(fā)現(xiàn)，雙股燃氣射流在B型結構中擴展時，在起始階段除了軸向擴展速度較快之外，其它的現(xiàn)象基本相似，但當t＝2.5ms時，圖5中雙股燃氣射流的底部出現(xiàn)輕微的卷吸現(xiàn)象，隨著雙股燃氣射流的繼續(xù)擴展，兩股射流底部的卷吸越來越強烈，直至雙股射流發(fā)展到最后一個臺階時，在第一級臺階底部已經可以看到劇烈的氣液摻混及卷吸現(xiàn)象。由此可推測，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)象很容易導致壓力的劇烈脈動，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，可以通過改變多級圓柱漸擴型觀察室的級數(shù)來控制雙股燃氣射流在漸擴型充液室中的擴展特性。

采用C型觀察室結構，在B型的基礎上增加第一級的長度，但保持總長度不變，其實驗工況仍然與圖2相同。雙股燃氣射流在C型觀察室結構中擴展的序列過程圖，如圖8所示。

圖8 雙股燃氣射流在C型觀察室中擴展的序列過程

通過對比圖5和圖8，可以發(fā)現(xiàn)圖8中，在剛開始的一段時間內，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t＝2ms時，雙股射流的頭部已經擴展到第二級臺階處，兩股射流沿著徑向在臺階處擴展并不是很明顯，隨著時間的推移，當t＝3.5ms時，兩股射流的頭部才逐漸沿徑向和軸向同時擴展，但是每經過一級臺階兩股射流的頭部并不能在臺階處形成一個很明顯的徑向擴展帶。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擴展，尤其當兩股射流擴展到臺階處時，能看到很明顯的徑向擴展現(xiàn)象。通過處理圖5和圖8中雙股燃氣射流擴展的序列過程圖，計算得到射流在B型和C型2種漸擴型結構中軸向擴展速度和加速度曲線對比圖，如圖9、圖10所示。

圖9 不同漸擴結構下的v－t圖（B型和C型）

圖10 不同漸擴結構下的a－t圖（B型和C型）

從圖9中可以看出，雙股燃氣射流在C型中的軸向擴展速度較快，而從圖10中可以看出，2種結構下射流的軸向加速度基本接近，這說明漸擴結構的不同對射流的軸向加速度影響較小。

3 結論

根據本文的實驗結果可以得到以下的結論：

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

② 噴射壓力越大，雙股燃氣射流的軸向擴展速度也越大，氣液的湍流摻混更加強烈；噴孔間距越大，雙股燃氣射流的軸向擴展速度越小，射流沿徑向擴展較為明顯，最終發(fā)生匯聚的時間較晚。

③ 采用不同的漸擴結構會對雙股燃氣射流的擴展形態(tài)產生不同的影響，在等長的觀察室結構中，通過控制觀察室的級數(shù)和第一級的長度，可以有效控制雙股燃氣射流在液體工質中的擴展特性，從而達到改善氣液湍流摻混特性的目的。

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