双股燃气射流在充液室内扩展特性的实验研究＊

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）

液体发射药火炮（liquid propellant gun，LPG）是一种利用液体燃料为能源的新概念火炮，自20世纪四五十年代开始作为一种新概念武器备受关注，尤其是当固体发射药火炮没有取得重大的突破性进展时，它更引人关注。整装式液体发射药火炮（bulk－loaded liquid propellant gun，BLPG）的机械结构简单，但内弹道过程难以控制。其内弹道过程是利用流体的不稳定性造成气液混合而使之充分燃烧的过程，由于液体药的燃烧推动弹丸运动并在液体药内部形成气穴（泰勒空腔），而气液的交界面处由于气液的速度差导致了Kelvin－Helmholtz不稳定性，这种不稳定燃烧的正反馈机制使燃烧过程很复杂。20世纪90年代初期，J.A.Oweczarczak等［1］、R.L.Talley等［2］在口径为40mm 的实验装置上进行了实验，发现采用多级渐扩型燃烧室结构对BLPG燃烧稳定性控制有帮助。R.L.Talley［3］还提出了采用多药室组合结构来控制火炮腔内燃烧的稳定性。J.De Spirito［4］利用CRAFT纳维－斯托克斯方程成功模拟了整装式液体药在四级阶跃式圆柱渐扩型燃烧室中的燃烧特性，主要包括气穴、液柱的加速扩展过程、压力分布、燃烧场温度、燃气质量分数分布等。余永刚等［5］、齐丽婷等［6］、莽珊珊等［7－8］从改变燃烧室结构着手，开展相关基础研究，观测了单股燃气射流在渐扩型充液室中的扩展特性。Yu Yong－gang等［9］针对平面型观察室，开展了双股燃气射流在液体工质中扩展的实验研究。

本文中，以整装式液体发射药火炮多点点火为背景，针对双股燃气射流在五级圆柱渐扩型观察室和圆柱型观察室中的扩展特性进行实验研究，重点讨论不同的渐扩型边界对双股燃气射流扩展形态的影响以及不同的工作参数下双股燃气射流在液体工质中扩展的过程。

1 实验装置与原理

实验装置如图1（a）所示，主要由高压燃烧室、双孔喷嘴和五级圆柱渐扩型观察室组成。该观察室的外部是圆柱型的结构，由透明的有机玻璃组成以便于观测，内部是一个台阶型的空腔，观察室的底部连接燃气发生器。其工作原理是利用电点火装置点燃填充在燃烧室内的速燃火药，火药被点燃，其压力迅速升高，至一定阈值冲破紫铜密封膜片，高温高压的燃气经双孔喷嘴被分成2股，喷入充满液体药模拟工质的透明观察室中。双股射流在液体中相互作用以及射流扩展过程由数字高速录像系统记录。实验中为了减少重力的影响，将此装置竖直向上放置，即高温高压的燃气由燃烧室下部向上喷入，观察室上端与大气相连。实验中选择流动特性与液体发射药相近的水作为液体药模拟工质。

为了研究不同的观察室结构对双股燃气射流喷入液体工质过程中气液相互作用的影响，实验中采用2种不同结构的观察室，分别为五级圆柱渐扩型观察室和圆柱型观察室。五级圆柱渐扩型观察的结构尺寸如图1（b）所示，其中第1级圆柱以后的每级圆柱直径增量为Δd，采用每级圆柱直径增量与长度l之比，即Δd／l作为圆柱渐扩型观察室的结构参数。圆柱型观察室的直径为64mm，长度为110mm。

图1 实验装置示意图Fig.1 Sketch of the experimental device

2 实验结果及分析

2.1 双股燃气射流在观察室中的扩展过程

实验中，喷孔采用紫铜膜片密封，用来得到足够的破膜压力。首先采用五级圆柱渐扩型观察室结构，图2展示了双股燃气射流在其中扩展的序列过程。其实验工况为：喷射压力为18MPa，喷孔直径为0.8mm，喷孔中心间距为16mm，渐扩比Δd／l＝0.6。

图2 双股燃气射流在圆柱渐扩型观察室中扩展的序列过程Fig.2 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in cylindrical stepped－wall chamber

由图2可以看出，当双股燃气射流从双孔喷嘴刚进入液体工质时，即在t＝1.0ms时，2股射流明显分开，双股射流的边界较规则，呈扇形。当双股射流进入第2级燃烧室后，Taylor空腔与Kelvin－Helmholtz不稳定性效应的正反馈机制开始体现出来，双股燃气射流头部的形状变得不规则，2股射流仍然明显地分开。随着时间的推移，2股射流发生相互卷吸和干扰：当t＝2.0ms时，2股射流中心已经开始交汇，射流的内侧边缘出现明显的相互干扰，2股射流的头部也由于相互吸引而呈现向内侧弯曲靠近的趋势，而径向由于渐扩台阶的诱导作用，形成了逐渐增强的径向湍流，即在台阶处出现一个明显的径向扩展带，使双股射流沿着渐扩台阶逐步向轴向和径向同时扩展；当t＝6.0ms时，双股燃气射流已经扩展到最后一个台阶，且双股燃气射流能够基本上充满圆柱渐扩型观察室的前几级台阶。在双股射流扩展的整个过程中，2股射流基本是对称的。

为了说明渐扩边界对双股燃气射流在液体工质中扩展特性的作用，还采用了圆柱型观察室作对比实验，其工况同图2。双股燃气射流在圆柱型观察室中扩展的序列过程如图3所示。由图3可观察到，双股射流沿轴向发展较明显，沿径向扩展较缓慢，在射流发展初期就呈现Kelvin－Helmholtz不稳定性效应，双股射流的边界形状很不规则，呈锯齿状。由于缺少径向的扰动作用，双股燃气射流较快地合成一股，穿过液体工质到达圆柱型观察室的顶部，残留在观察室壁面的部分液体只能通过Kelvin－Helmholtz不稳定性效应与气体发生相互作用。在双股射流扩展的过程中，2股射流基本是对称的。

图3 双股燃气射流在圆柱型观察室中扩展的序列过程Fig.3 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in cylindrical observation chamber

通过这一实验现象可以预测，在整装式液体发射药火炮中，当高温高压的燃气喷入燃烧室中，燃烧室内的液体发射药由于受到点火热气流冲击而形成一个凹面，随着燃烧在液体发射药表面的进行，凹面逐渐发展为一个泰勒空腔。在泰勒空腔的不断发展下，弹丸底部的液体发射药被压缩，直至弹丸获得一定的初速度后，泰勒空腔迅速发展到达弹丸的底部，在燃烧室内形成类似于一条狭长的隧道般的空穴，横穿在整个燃烧室内。由于泰勒空腔迅速扩展到弹丸底部，导致燃烧室的近壁面处被压缩了大量液体发射药，且未能得到充分燃烧，仅能通过点火燃气流的卷吸作用参与到燃烧中，加剧了Kelvin－Helmholtz不稳定性效应，引起膛内压力出现剧烈振荡现象。而采用多级圆柱渐扩型观察室，由于台阶的诱导作用，泰勒空腔能够平缓地沿着轴向和径向同时发展，当泰勒空腔到达弹丸的底部，推动弹丸向前运动时，仅有少部分液体燃料被滞留在燃烧室近壁面处。此时，再通过Kelvin－Helmholtz不稳定性效应使剩余液体燃料得到充分燃烧，减弱由Kelvin－Helmholtz不稳定性效应引起的膛内压力剧烈脉动现象，避免压力出现第2峰值。而与齐丽婷等［6］的单孔燃气射流实验研究相比，双股燃气射流增加了燃气与液体药模拟工质表面的接触面积，增加了Taylor空腔的径向直径，减少了残留在观察室壁面的环形液体，使气液交换更多地在泰勒空腔内进行，降低了射流扩展过程中气液湍流掺混的随机脉动性，从而很好地抑制了Taylor空腔与Kelvin－Helmholtz不稳定性效应的正反馈机制。由此可推测，在整装式液体发射药火炮内，采用这种双股燃气射流同时点火可以抑制燃烧的不稳定性，提高其内弹道稳定性。

2.2 不同参数对双股燃气射流在液体工质中扩展特性的影响

2.2.1 渐扩比对双股燃气射流扩展特性的影响

实验中，为了探讨不同的多级圆柱渐扩型观察室结构对双股燃气射流在液体工质中扩展特性的影响，同样采用五级圆柱渐扩型观察室，将每级台阶直径的增量改为6mm，即Δd／l＝0.3，其实验工况为：喷射压力为18MPa，喷孔直径为1mm，喷孔中心间距为20mm。2种圆柱渐扩型观察室结构下的实验序列过程如图4所示。

观察2种Δd／l结构下的双股射流扩展的序列过程，可以发现：图4（b）中，渐扩比越小，双股射流沿着轴向发展越快，气液的湍流掺混强度越大，射流头部的脉动越剧烈，射流发展越不规则。通过处理2种结构下双股燃气射流扩展的序列图，可获得双股燃气射流扩展的轴向速度和加速度分布，如图5所示。结合实验过程的序列图可知：当Δd／l较大时，射流轴向扩展速度明显较小，初始阶段加速度也较小。但当双股射流扩展到后期时，2种结构的加速度近似于相同。

图4 不同结构圆柱渐扩型观察室中双股射流的扩展序列Fig.4 Expansion sequences of twin combustion－gas jets in different cylindrical stepped－wall chambers

图5 不同的渐扩尺寸下双股射流的轴向速度和加速度Fig.5 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different gradually－enlarged ratios

2.2.2 喷射压力对双股燃气射流扩展特性的影响

图6为相同结构（Δd／l＝0.6）的五级圆柱渐扩型观察室，不同的喷射压力下，双股燃气射流的轴向速度和加速度的曲线图，实验工况为：喷孔直径为0.8mm，喷孔中心间距为16mm。

图6 不同喷射压力下双股射流的轴向速度和加速度Fig.6 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different injection pressures

结合双股射流扩展过程的典型实验图2可见，增加燃气的喷射压力，双股射流的气液掺混强度增加，从而使双股射流沿轴向的扩展速度增大。从图6中可以看出，当喷射压力提高到18MPa时，射流的轴向扩展速度大幅度提高，射流的轴向加速度也明显增大，而当喷射压力继续增加时，射流的轴向加速度基本不变。将图6（a）拟合后得到如表1所示的经验关系式。

表1 喷射压力对双股射流扩展速度影响的经验关系式Table1 Empirical formula for influences of injection pressures on axial velocity

2.2.3 喷孔直径对双股燃气扩展特性的影响

观察不同的喷孔直径对双股燃气射流在液体工质中扩展特性的影响，其实验工况为：喷射压力为18MPa，喷孔中心间距为16mm，渐扩比Δd／l＝0.6。双股燃气射流轴向速度和加速度的变化曲线如图7所示。结合双股燃气射流的典型扩展图2可见：喷孔直径越大，射流头部轴向扩展速度越大；喷孔直径越小，气液湍流掺混和卷吸效应越显著。将图7（a）拟合后得到如表2所示的经验关系式。

图7 不同喷孔直径下双股射流的轴向速度和加速度Fig.7 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different nozzle diameters

表2 喷射直径对双股射流扩展速度影响的经验关系式Table2 Empirical formula for influences of nozzle diameters on axial velocity

2.2.4 喷孔间距对双股燃气射流扩展特性的影响

采用不同的喷孔间距对双股燃气射流喷入液体工质的过程进行实验研究，喷射压力仍为18MPa，喷孔直径为0.8mm，渐扩比Δd／l＝0.6，喷孔中心间距分别为16和20mm。图8展示了双股燃气射流在喷孔中心间距为20mm的渐扩型结构中扩展的序列过程。结合图2可见，喷孔间距较大时，双股射流在扩展过程中离圆柱渐扩型观察室的边界较近，因此受渐扩型台阶的诱导作用，双股射流沿径向扰动较强烈。当t＝1.5ms时，双股射流就已经向渐扩型边界扩展；在t＝2.5ms时，2股射流都分别充满前2级台阶。但是由于双股射流之间的距离相对较远，因此，2股射流发生汇聚的时间较晚。而对于较小的喷孔间距，双股射流之间的卷吸和干扰强度相对较大，双股射流发生向内侧弯曲的趋势较明显，当t＝2.0ms时，2股射流就已经开始相互卷吸。

通过处理图2、8的序列过程，计算得到双股燃气射流扩展过程的轴向速度和加速度的对比曲线，如图9所示。由图9可见，当双股射流发展到后期，2股射流的轴向速度相差不大，都能稳步向前发展，而轴向加速度也近似相同。

图8 双股燃气射流在喷孔中心间距为20mm的渐扩型结构中扩展的序列图Fig.8 Expansion sequence of twin combustion－gas jet in the cylindrical stepped－wall chamber of s＝20mm

图9 不同喷孔间距下双股射流的轴向速度和加速度Fig.9 Axial velocities and axial accelerations of twin combustion－gas jets at different dual－orifice intervals

3 结 论

（1）圆柱渐扩型观察室内，双股射流由于受渐扩台阶的诱导作用，沿径向扩展较明显，降低了Kelvin－Helmholtz不稳定性效应，减少了由此而引发的压力剧烈脉动，而双股射流相对单股射流来说，由于2股射流本身存在着相互的卷吸和干扰，使2股射流最终逐渐汇聚成1股，并充满整个观察室边界，增加了Taylor空腔的表面积，抑制了Taylor空腔与Kelvin－Helmholtz不稳定性效应的正反馈机制。

（2）双股燃气射流的扩展形态与观察室的渐扩型尺寸、喷孔直径、喷孔间距、喷射压力等有关，多级圆柱渐扩型观察室的渐扩比越大，轴向扩展速度越慢，气液的掺混强度也越小；喷孔直径越小，双股射流的气液掺混强度越大，存在越强的干扰和卷吸作用；喷孔间距越大，受渐扩边界的影响，沿着径向发展越快，但2股射流发生汇聚的时间越晚；喷射压力越大，射流头部发展越不稳定，湍流脉动也越剧烈。

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