周良梁，余永剛，劉東堯，莽珊珊

（1.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210094）

水下火炮氣幕式發(fā)射過(guò)程中燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)相互作用特性研究

周良梁1，余永剛1，劉東堯1，莽珊珊2

（1.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210094）

為了研究水下火炮氣幕式發(fā)射過(guò)程中燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)相互作用的特性，設(shè)計(jì)了可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置，采用高速錄像系統(tǒng)記錄了圓柱形充液室中彈丸運(yùn)動(dòng)及氣體與液體相互作用的過(guò)程特性，得到了彈丸速度與氣幕軸向擴(kuò)展速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。對(duì)比不同噴射參數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：彈丸運(yùn)動(dòng)速度隨著噴射壓力的增加而增加；氣幕減阻性能隨著斜面噴孔尺寸增大得到提升，彈丸運(yùn)動(dòng)速度隨之增大。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了彈丸運(yùn)動(dòng)條件下多股燃?xì)馍淞髟谝后w介質(zhì)中擴(kuò)展的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果中多股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；對(duì)比二者氣幕頂部軸向擴(kuò)展位移值，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。彈丸運(yùn)動(dòng)條件下氣幕生成的數(shù)值模型的建立，為水下火炮發(fā)射過(guò)程中身管內(nèi)氣幕生成及減阻機(jī)理分析提供了參考。

兵器科學(xué)與技術(shù)；水下火炮；水下氣幕；多股燃?xì)馍淞?；氣體與液體相互作用；實(shí)驗(yàn)研究；數(shù)值模擬

0 引言

傳統(tǒng)火炮水下發(fā)射通常采用密封式發(fā)射［1］或淹沒(méi)式發(fā)射［2］，然而這兩種發(fā)射方式存在一定局限性。

采用密封式發(fā)射時(shí)，彈丸出炮口后會(huì)產(chǎn)生液體倒灌現(xiàn)象，二次發(fā)射時(shí)通過(guò)額外氣源排出身管內(nèi)水介質(zhì)，并將炮口再次密封，這種發(fā)射方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且會(huì)影響火炮發(fā)射速度。采用淹沒(méi)式發(fā)射，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但水下發(fā)射過(guò)程中彈前阻力約為空氣中的800倍，膛壓較高，為了保證安全，彈丸初速往往較低。水下氣幕式發(fā)射是導(dǎo)彈水下發(fā)射采用的技術(shù)之一［3］，該技術(shù)通過(guò)燃?xì)馍伤職饽?，在?dǎo)彈運(yùn)動(dòng)路徑上形成氣體通道，減小彈體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與環(huán)境介質(zhì)的摩擦阻力，能夠有效地提升導(dǎo)彈水下發(fā)射初速與發(fā)射深度［4-5］。為了實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)式水下火炮高初速，本文結(jié)合導(dǎo)彈氣幕式發(fā)射原理，提出了水下火炮采用多股火藥燃?xì)馍淞髟诎l(fā)射過(guò)程實(shí)時(shí)排水，在身管內(nèi)形成可供彈丸運(yùn)動(dòng)的氣體通道，從而大幅度減小彈丸運(yùn)動(dòng)阻力。

水下火炮氣幕生成過(guò)程，是一個(gè)典型的氣體與液體兩相相互作用問(wèn)題，對(duì)于氣體射流水下氣體與液體相互作用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Weiland等［6］采用攝像技術(shù)研究了圓形射流入水過(guò)程中氣體與液體邊界動(dòng)力學(xué)特性和氣體與液體作用穩(wěn)定性的關(guān)系。施紅輝等［7］與湯龍生等［8］對(duì)單股水下超聲速燃?xì)馍淞魉聰U(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了探討。LIU等［9］進(jìn)一步對(duì)水下氣體射流三維模型進(jìn)行了仿真，模擬了射流發(fā)展過(guò)程中氣泡分離與相互作用現(xiàn)象。薛曉春等［10］采用高速攝像技術(shù)，對(duì)雙股燃?xì)馍淞髟诔湟菏抑械臄U(kuò)展特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并對(duì)觀察室邊界形狀對(duì)氣體射流擴(kuò)展的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。Graaf等［11］對(duì)4股氣體射流在水下相互作用過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析了4股射流相互作用的動(dòng)力學(xué)特性。曹嘉怡等［12］采用計(jì)算流體力學(xué)軟件，結(jié)合自編UDF模塊模擬導(dǎo)彈出筒過(guò)程中，獲得了發(fā)射筒外燃?xì)馊胨髲?fù)雜的多相流動(dòng)演化過(guò)程。王亞?wèn)|等［13］采用可壓縮氣體模型，分析了氣體彈性對(duì)彈體運(yùn)動(dòng)的影響。在此基礎(chǔ)上，劉傳龍等［14］進(jìn)一步分析了發(fā)射裝置適配器彈性對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程彈體受力特性的影響。

基于氣幕式發(fā)射原理，本文設(shè)計(jì)了可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置。為了了解彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣幕生成特性，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析這種水下火炮新型發(fā)射方式氣體與液體相互作用特性。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1模擬實(shí)驗(yàn)裝置

模擬裝置由燃燒室、模擬彈丸與觀察室3個(gè)部分組成，如圖1所示。觀察室通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)固連在燃燒室上，而模擬彈丸通過(guò)連接件與燃燒室連接。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，脈沖電點(diǎn)火器放電，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的裝藥，產(chǎn)生大量高溫高壓燃?xì)?，?dāng)燃燒室壓力增大到一定閾值時(shí)，燃?xì)鉀_破模擬彈丸內(nèi)的密封膜片，通過(guò)噴孔噴入上方充液觀察室中；同時(shí)模擬彈丸與燃燒室間的連接機(jī)構(gòu)被剪斷，彈丸開始在觀察室內(nèi)運(yùn)動(dòng)。燃?xì)獠粩嗤ㄟ^(guò)彈前噴孔及側(cè)面噴孔噴出，形成多股燃?xì)馍淞?，通過(guò)氣液摻混生成管內(nèi)氣幕。圖1中彈丸表面噴孔分布如圖2所示，彈丸表面有9個(gè)對(duì)稱分布噴孔，包括1個(gè)圓形中心噴孔，4個(gè)斜面圓形噴孔以及4個(gè)緊貼圓管的側(cè)壁矩形噴孔，界面L-L′面為對(duì)稱剖面。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用高速錄像設(shè)備記錄彈丸水下運(yùn)動(dòng)及多股燃?xì)馍淞魉聰U(kuò)展過(guò)程，利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖2　模擬彈丸端面投影示意圖Fig.2 Transverse projection of simulated projectile

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的模擬彈中心噴孔與斜面噴孔直徑均為1.5mm，側(cè)壁噴孔尺寸為1mm×3mm，燃燒室內(nèi)最大噴射總壓為8.1MPa.模擬彈丸運(yùn)動(dòng)以及多股燃?xì)馍淞鞒湟菏覉A管中擴(kuò)展過(guò)程如圖3所示，燃燒室內(nèi)總壓變化如圖4所示。

圖3　模擬彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中多股燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展序列圖Fig.3 Expansion processes of multi-combustion gas jets during motion of simulated projectile

由圖3可知:在0.5ms時(shí)，中心射流與斜面射流噴出，沿噴孔方向獨(dú)立擴(kuò)展；在1.0ms時(shí)側(cè)面射流噴出，同時(shí)斜面射流受到壁面阻滯，擴(kuò)展方向向軸向偏轉(zhuǎn)；在1.5～2.0ms時(shí)，斜面射流與側(cè)壁射流開始匯聚生成側(cè)面射流；在2.0ms之后4股側(cè)面射流開始匯聚，生成管內(nèi)氣幕，氣幕生成后射流頂部由于Taylor不穩(wěn)定性作用，氣幕中心形成突起，隨著射流的軸向擴(kuò)展，中心突起軸向尺寸逐漸增大。

由圖4可以看出:點(diǎn)火后燃燒室內(nèi)壓力急劇上升；之后隨著多股射流的噴射與彈丸的運(yùn)動(dòng)，燃燒室內(nèi)壓力迅速下降。

由多股射流擴(kuò)展圖片可以處理得到多股射流Taylor空腔頂部軸向擴(kuò)展速度與彈丸軸向運(yùn)動(dòng)速度，分別如圖5、圖6所示。

圖4　燃燒室內(nèi)壓力-時(shí)間曲線Fig.4 p-t curve in combustion chamber

圖5　氣幕軸向擴(kuò)展速度-時(shí)間曲線Fig.5 v-t curve of gas curtain axial expansion

由圖5可知:射流發(fā)展初始階段，在2.0ms之前，多股射流之間沒(méi)有完成摻混，此時(shí)射流最前端為中心射流頭部，推動(dòng)充液圓管中水運(yùn)動(dòng)的能量主要由中心射流提供，射流擴(kuò)展規(guī)律與單股射流相似，射流出噴孔后軸向擴(kuò)展能力逐漸降低，軸向擴(kuò)展速度不斷減小；在2.0ms之后，隨著氣幕的生成，多股燃?xì)馍淞鬏S向擴(kuò)展能力逐漸提升，氣幕軸向擴(kuò)展速度上升趨勢(shì)增大；在5.0ms之后，隨著燃燒室內(nèi)燃?xì)鈬姵鲆约皬椡柽\(yùn)動(dòng)的影響，燃燒室內(nèi)噴射壓力減小，射流頂部軸向擴(kuò)展速度上升趨勢(shì)減弱。

圖6　模擬彈丸速度-時(shí)間曲線Fig.6 v-t curve of simulated projectile

由圖6可以看出，彈丸運(yùn)動(dòng)速度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最終隨著燃燒室內(nèi)噴射壓力減小，彈丸加速過(guò)程減緩，彈丸最終軸向運(yùn)動(dòng)速度趨于穩(wěn)定。

1.3噴射參數(shù)的影響

為了解模擬發(fā)射過(guò)程中噴射壓力改變對(duì)模擬彈丸運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)改變裝藥量得到了不同的最大噴射壓力。圖7為不同壓力條件下，模擬彈丸運(yùn)動(dòng)速度變化。由圖7可知，隨著噴射壓力的增加，模擬彈丸運(yùn)動(dòng)速度隨之提高。以時(shí)間20ms為例，2.2MPa壓力條件下，彈丸運(yùn)動(dòng)速度為3.8m/s，當(dāng)壓力提高到4.4MPa時(shí)，彈丸運(yùn)動(dòng)速度提高到5.8m/s.

圖7　不同壓力下彈丸速度-時(shí)間曲線Fig.7 v-t curves of projectile under different pressures

為了分析噴射結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射過(guò)程的影響，設(shè)計(jì)了3種具有不同噴孔尺寸的模擬彈丸，噴孔尺寸見表1.圖8對(duì)比了3種模擬彈丸在最大噴射總壓為8.1MPa條件下運(yùn)動(dòng)速度曲線。結(jié)合表1與圖8可以看出:B型彈丸在增大中心噴孔尺寸后，增加了噴出的氣體量，但也加速了燃燒室內(nèi)壓力下降，因此初始階段彈丸速度減小，但由于氣體量的增加提升了氣幕的整體排水性能，因此A、B兩種模擬彈丸最終運(yùn)動(dòng)速度較為接近；C型彈丸在B型彈丸基礎(chǔ)上增大了斜面噴孔尺寸，雖然也加速了壓力下降，但增加壁面處氣體流量使得燃?xì)馍淞鞯呐潘阅苓M(jìn)一步提升，因此彈丸整個(gè)過(guò)程中彈丸運(yùn)動(dòng)速度得到提升。

表1　3種噴頭結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure sizes of three sprayers

圖8　不同噴孔尺寸下彈丸速度-時(shí)間曲線Fig.8 v-t curves of projectiles with different nozzle sizes

2 數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型

結(jié)合多股燃?xì)馍淞髟谝后w工質(zhì)中擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)多股燃?xì)馍淞魉聰U(kuò)展過(guò)程，采用如下簡(jiǎn)化假設(shè):

1）將氣體與液體相互作用視為三維非穩(wěn)態(tài)過(guò)程處理；

2）燃?xì)鉃槔硐肟蓧簹怏w，計(jì)算過(guò)程中不考慮燃?xì)饨M分的變化；

3）采用k-ε湍流模型描述射流發(fā)展過(guò)程中氣體與液體湍流摻混；

4）物性參數(shù)取平均值。

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)，結(jié)合Navier-Stokes方程，VOF模型和k-ε湍流方程建立數(shù)學(xué)模型可以得到:

1）連續(xù)性方程

式中:ρ總密度；v為速度矢量。

燃?xì)饨M分連續(xù)性方程

式中:δg為燃?xì)饨M分體積分?jǐn)?shù)，δg=1-δl，δl為液體工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。流體的總密度根據(jù)氣體與液體兩相分布確定ρ=δgρg+δlρl，ρg為燃?xì)饷芏?，燃?xì)鉃槔硐肟蓧簹怏w，氣體密度根據(jù)氣體方程確定ρg=p/RgT，ρl為液體工質(zhì)密度，實(shí)驗(yàn)中液體工質(zhì)為水，計(jì)算過(guò)程作為不可壓流體處理，p為壓力，Rg為氣體常數(shù)，T為溫度。

2）動(dòng)量方程

式中:μ為粘度系數(shù)；g為重力矢量。

3）能量方程

式中:Εi為第i相流體總能；keff為混合物有效傳熱系數(shù)；xi、xj為坐標(biāo)的矢量，i、j為自由指標(biāo)；vi為速度矢量。

4）k-ε湍流方程

式中:μt為湍動(dòng)粘度系數(shù)；ε為湍流耗散度；Gk、Gb、YM為湍動(dòng)能系數(shù)；σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.3計(jì)算網(wǎng)格

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置可以看出噴頭表面噴孔對(duì)稱分布，可以認(rèn)為4個(gè)側(cè)壁噴孔與4個(gè)斜面噴孔分布具有相同的噴射條件，而中心射流沿中心軸線擴(kuò)展，因此選取觀察室1/4區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，取膜片處作為壓力入口，如圖9所示。圖9中計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為60萬(wàn)，經(jīng)檢驗(yàn)該網(wǎng)格符合網(wǎng)格收斂性要求。

圖9　計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.9 Schematic diagram of computational domain

2.4計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，入口壓力根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合。針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，入口壓力根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中火藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庑枰_(dá)到預(yù)設(shè)破膜壓力值，燃?xì)獠砰_始噴射。燃燒室噴射總壓可以近似擬合關(guān)系式為ptot=（0.2+7.9e-t/0.004）MPa，t為時(shí)間（s）。燃?xì)饪倻厝?000K.圖10為模擬彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣體與液體組分時(shí)空分布。

圖10　氣體與液體組分時(shí)空分布圖Fig.10 Spatial and temporal distribution of gas-liquid component

由圖10可以看出:在0.5ms前中心射流與斜面射流沿噴孔獨(dú)立擴(kuò)展，氣體與液體界面較為光滑；在1.0ms時(shí)由于斜面射流撞擊壁面，氣體與液體界面出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生氣體與液體卷吸，同時(shí)側(cè)壁射流出現(xiàn)，側(cè)壁射流貼壁發(fā)展，表面產(chǎn)生褶皺；在1.5～2.0ms時(shí)，側(cè)壁射流與斜面射流匯聚生成貼壁發(fā)展的側(cè)面射流；隨著側(cè)面射流的徑向發(fā)展，在2.5ms時(shí)，側(cè)面射流在射流下游開始匯聚，形成貼壁的環(huán)狀氣幕；隨著彈丸的運(yùn)動(dòng)與射流的發(fā)展，氣幕范圍向下游擴(kuò)展，隨著側(cè)面射流的匯聚，多股射流和氣體與液體界面產(chǎn)生湍流摻混作用，在射流匯聚區(qū)出現(xiàn)大量液體卷吸。對(duì)比數(shù)值模擬氣體與液體組分分布和實(shí)驗(yàn)照片，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中多股射流發(fā)展序列過(guò)程與實(shí)驗(yàn)基本一致。

結(jié)合氣幕形態(tài)，可以得到氣幕頂部位移隨時(shí)間變化，如圖11所示。對(duì)比計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值，可以看出二者吻合較好，計(jì)算模型具有一定合理性。

圖11　氣幕頂部擴(kuò)展位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.11 Comparison of calculated and measured values of gas-curtain displacement

3 結(jié)論

根據(jù)本文的模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論:

1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)多股燃?xì)馍淞髋c管內(nèi)液體工質(zhì)的摻混作用，可實(shí)現(xiàn)模擬彈丸運(yùn)動(dòng)條件下管內(nèi)氣幕的生成，從而為水下火炮氣幕發(fā)射方式奠定了基礎(chǔ)。

2）通過(guò)改變噴射參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn):隨著噴射壓力的增加，彈丸運(yùn)動(dòng)速度隨之增加；增大斜面噴孔尺寸，氣幕排水減阻性能提升，彈丸運(yùn)動(dòng)速度增大。

3）模擬結(jié)果表明，多股燃?xì)馍淞餍蛄袛U(kuò)展過(guò)程與形態(tài)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，計(jì)算獲得的射流頂端軸向擴(kuò)展位移與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，計(jì)算模型具有一定合理性。

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Research on Gas-liquid Interaction Characteristics during the Gas Curtain Launching Process of Underwater Gun

ZHOU Liang-liang1，YUYong-gang1，LIU Dong-yao1，MANG Shan-shan2
（1.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Science，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

A visualization simulator is designed to understand the characteristics of interaction between combustion gas jet and liquid medium during the gas-curtain launching process of underwater gun.A high speed video camera system is used to record the motion of projectile in a cylindrical liquid-filled chamber and the gas-liquid interaction process.The flying velocity of projectile and the axial expanding speed of gas curtain are acquired in experiment.Experimental results show that the projectile velocity increases with the increase in injection pressure.With the increase in sizes of oblique nozzles，the drag reduction property of gas curtain is improved，and the projectile velocity is also increased.On the base of experimental study，an unsteady three-dimensional mathematical model is developed to simulate the expansion of multi-combustion gas jets in liquid medium.And a numerical simulation is carried out.The simulated expansion process of the multi-gas jets is consistent with the experimental result，and the axial displace-ment of simulated gas curtain is in a good agreement with the experiment data.The proposed numerical model provides a reference for the analysis of generation mechanism of gas curtain during launching.

ordnance science and technology； underwater gun； underwater gas curtain； multi-combustion gas jet； gas-liquid interaction； experimental study； numerical simulation

TJ399

A

1000-1093（2016）08-1373-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.005

2015-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11372139）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（PYLX15-0391）

周良梁（1989—），男，博士研究生。E-mail:zllnjust@163.com；余永剛（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:yyg801@njust.edu.cn