周良梁，余永刚，刘东尧，莽珊珊

（1.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094；2.南京理工大学理学院，江苏南京210094）

水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用特性研究

周良梁1，余永刚1，刘东尧1，莽珊珊2

（1.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094；2.南京理工大学理学院，江苏南京210094）

为了研究水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用的特性，设计了可视化模拟实验装置，采用高速录像系统记录了圆柱形充液室中弹丸运动及气体与液体相互作用的过程特性，得到了弹丸速度与气幕轴向扩展速度随时间的变化关系。对比不同喷射参数条件下实验结果可以发现：弹丸运动速度随着喷射压力的增加而增加；气幕减阻性能随着斜面喷孔尺寸增大得到提升，弹丸运动速度随之增大。在实验基础上，建立了弹丸运动条件下多股燃气射流在液体介质中扩展的三维非稳态数学模型。针对实验工况进行数值模拟，模拟结果中多股燃气射流扩展过程与实验结果一致；对比二者气幕顶部轴向扩展位移值，可以发现计算结果与实测值吻合较好。弹丸运动条件下气幕生成的数值模型的建立，为水下火炮发射过程中身管内气幕生成及减阻机理分析提供了参考。

兵器科学与技术；水下火炮；水下气幕；多股燃气射流；气体与液体相互作用；实验研究；数值模拟

0 引言

传统火炮水下发射通常采用密封式发射［1］或淹没式发射［2］，然而这两种发射方式存在一定局限性。

采用密封式发射时，弹丸出炮口后会产生液体倒灌现象，二次发射时通过额外气源排出身管内水介质，并将炮口再次密封，这种发射方式不仅结构复杂，而且会影响火炮发射速度。采用淹没式发射，虽然结构简单，但水下发射过程中弹前阻力约为空气中的800倍，膛压较高，为了保证安全，弹丸初速往往较低。水下气幕式发射是导弹水下发射采用的技术之一［3］，该技术通过燃气生成水下气幕，在导弹运动路径上形成气体通道，减小弹体运动过程中与环境介质的摩擦阻力，能够有效地提升导弹水下发射初速与发射深度［4-5］。为了实现淹没式水下火炮高初速，本文结合导弹气幕式发射原理，提出了水下火炮采用多股火药燃气射流在发射过程实时排水，在身管内形成可供弹丸运动的气体通道，从而大幅度减小弹丸运动阻力。

水下火炮气幕生成过程，是一个典型的气体与液体两相相互作用问题，对于气体射流水下气体与液体相互作用问题，国内外学者进行了大量研究。Weiland等［6］采用摄像技术研究了圆形射流入水过程中气体与液体边界动力学特性和气体与液体作用稳定性的关系。施红辉等［7］与汤龙生等［8］对单股水下超声速燃气射流水下扩展过程进行了探讨。LIU等［9］进一步对水下气体射流三维模型进行了仿真，模拟了射流发展过程中气泡分离与相互作用现象。薛晓春等［10］采用高速摄像技术，对双股燃气射流在充液室中的扩展特性进行了实验观测，并对观察室边界形状对气体射流扩展的影响进行了对比分析。Graaf等［11］对4股气体射流在水下相互作用过程进行了实验观测，分析了4股射流相互作用的动力学特性。曹嘉怡等［12］采用计算流体力学软件，结合自编UDF模块模拟导弹出筒过程中，获得了发射筒外燃气入水后复杂的多相流动演化过程。王亚东等［13］采用可压缩气体模型，分析了气体弹性对弹体运动的影响。在此基础上，刘传龙等［14］进一步分析了发射装置适配器弹性对导弹发射过程弹体受力特性的影响。

基于气幕式发射原理，本文设计了可视化模拟实验装置。为了了解弹丸运动过程中气幕生成特性，采用实验和数值模拟相结合的方法，分析这种水下火炮新型发射方式气体与液体相互作用特性。

1 实验研究

1.1模拟实验装置

模拟装置由燃烧室、模拟弹丸与观察室3个部分组成，如图1所示。观察室通过螺纹结构固连在燃烧室上，而模拟弹丸通过连接件与燃烧室连接。实验开始时，脉冲电点火器放电，点燃燃烧室内的装药，产生大量高温高压燃气，当燃烧室压力增大到一定阈值时，燃气冲破模拟弹丸内的密封膜片，通过喷孔喷入上方充液观察室中；同时模拟弹丸与燃烧室间的连接机构被剪断，弹丸开始在观察室内运动。燃气不断通过弹前喷孔及侧面喷孔喷出，形成多股燃气射流，通过气液掺混生成管内气幕。图1中弹丸表面喷孔分布如图2所示，弹丸表面有9个对称分布喷孔，包括1个圆形中心喷孔，4个斜面圆形喷孔以及4个紧贴圆管的侧壁矩形喷孔，界面L-L′面为对称剖面。

图1　实验系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验过程采用高速录像设备记录弹丸水下运动及多股燃气射流水下扩展过程，利用压力传感器监测实验过程中压力随时间的变化规律。

图2　模拟弹丸端面投影示意图Fig.2 Transverse projection of simulated projectile

1.2实验结果及讨论

实验中设计的模拟弹中心喷孔与斜面喷孔直径均为1.5mm，侧壁喷孔尺寸为1mm×3mm，燃烧室内最大喷射总压为8.1MPa.模拟弹丸运动以及多股燃气射流充液室圆管中扩展过程如图3所示，燃烧室内总压变化如图4所示。

图3　模拟弹丸运动过程中多股燃气射流扩展序列图Fig.3 Expansion processes of multi-combustion gas jets during motion of simulated projectile

由图3可知:在0.5ms时，中心射流与斜面射流喷出，沿喷孔方向独立扩展；在1.0ms时侧面射流喷出，同时斜面射流受到壁面阻滞，扩展方向向轴向偏转；在1.5～2.0ms时，斜面射流与侧壁射流开始汇聚生成侧面射流；在2.0ms之后4股侧面射流开始汇聚，生成管内气幕，气幕生成后射流顶部由于Taylor不稳定性作用，气幕中心形成突起，随着射流的轴向扩展，中心突起轴向尺寸逐渐增大。

由图4可以看出:点火后燃烧室内压力急剧上升；之后随着多股射流的喷射与弹丸的运动，燃烧室内压力迅速下降。

由多股射流扩展图片可以处理得到多股射流Taylor空腔顶部轴向扩展速度与弹丸轴向运动速度，分别如图5、图6所示。

图4　燃烧室内压力-时间曲线Fig.4 p-t curve in combustion chamber

图5　气幕轴向扩展速度-时间曲线Fig.5 v-t curve of gas curtain axial expansion

由图5可知:射流发展初始阶段，在2.0ms之前，多股射流之间没有完成掺混，此时射流最前端为中心射流头部，推动充液圆管中水运动的能量主要由中心射流提供，射流扩展规律与单股射流相似，射流出喷孔后轴向扩展能力逐渐降低，轴向扩展速度不断减小；在2.0ms之后，随着气幕的生成，多股燃气射流轴向扩展能力逐渐提升，气幕轴向扩展速度上升趋势增大；在5.0ms之后，随着燃烧室内燃气喷出以及弹丸运动的影响，燃烧室内喷射压力减小，射流顶部轴向扩展速度上升趋势减弱。

图6　模拟弹丸速度-时间曲线Fig.6 v-t curve of simulated projectile

由图6可以看出，弹丸运动速度呈波动上升趋势，最终随着燃烧室内喷射压力减小，弹丸加速过程减缓，弹丸最终轴向运动速度趋于稳定。

1.3喷射参数的影响

为了解模拟发射过程中喷射压力改变对模拟弹丸运动的影响，通过改变装药量得到了不同的最大喷射压力。图7为不同压力条件下，模拟弹丸运动速度变化。由图7可知，随着喷射压力的增加，模拟弹丸运动速度随之提高。以时间20ms为例，2.2MPa压力条件下，弹丸运动速度为3.8m/s，当压力提高到4.4MPa时，弹丸运动速度提高到5.8m/s.

图7　不同压力下弹丸速度-时间曲线Fig.7 v-t curves of projectile under different pressures

为了分析喷射结构对发射过程的影响，设计了3种具有不同喷孔尺寸的模拟弹丸，喷孔尺寸见表1.图8对比了3种模拟弹丸在最大喷射总压为8.1MPa条件下运动速度曲线。结合表1与图8可以看出:B型弹丸在增大中心喷孔尺寸后，增加了喷出的气体量，但也加速了燃烧室内压力下降，因此初始阶段弹丸速度减小，但由于气体量的增加提升了气幕的整体排水性能，因此A、B两种模拟弹丸最终运动速度较为接近；C型弹丸在B型弹丸基础上增大了斜面喷孔尺寸，虽然也加速了压力下降，但增加壁面处气体流量使得燃气射流的排水性能进一步提升，因此弹丸整个过程中弹丸运动速度得到提升。

表1　3种喷头结构尺寸Tab.1 Structure sizes of three sprayers

图8　不同喷孔尺寸下弹丸速度-时间曲线Fig.8 v-t curves of projectiles with different nozzle sizes

2 数值模拟

2.1计算模型

结合多股燃气射流在液体工质中扩展的实验结果，针对多股燃气射流水下扩展过程，采用如下简化假设:

1）将气体与液体相互作用视为三维非稳态过程处理；

2）燃气为理想可压气体，计算过程中不考虑燃气组分的变化；

3）采用k-ε湍流模型描述射流发展过程中气体与液体湍流掺混；

4）物性参数取平均值。

2.2数学模型

根据简化假设，结合Navier-Stokes方程，VOF模型和k-ε湍流方程建立数学模型可以得到:

1）连续性方程

式中:ρ总密度；v为速度矢量。

燃气组分连续性方程

式中:δg为燃气组分体积分数，δg=1-δl，δl为液体工质体积分数。流体的总密度根据气体与液体两相分布确定ρ=δgρg+δlρl，ρg为燃气密度，燃气为理想可压气体，气体密度根据气体方程确定ρg=p/RgT，ρl为液体工质密度，实验中液体工质为水，计算过程作为不可压流体处理，p为压力，Rg为气体常数，T为温度。

2）动量方程

式中:μ为粘度系数；g为重力矢量。

3）能量方程

式中:Εi为第i相流体总能；keff为混合物有效传热系数；xi、xj为坐标的矢量，i、j为自由指标；vi为速度矢量。

4）k-ε湍流方程

式中:μt为湍动粘度系数；ε为湍流耗散度；Gk、Gb、YM为湍动能系数；σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε为经验常数。

2.3计算网格

根据实验装置可以看出喷头表面喷孔对称分布，可以认为4个侧壁喷孔与4个斜面喷孔分布具有相同的喷射条件，而中心射流沿中心轴线扩展，因此选取观察室1/4区域作为计算区域，取膜片处作为压力入口，如图9所示。图9中计算区域总网格数为60万，经检验该网格符合网格收敛性要求。

图9　计算区域示意图Fig.9 Schematic diagram of computational domain

2.4计算结果与分析

针对上述实验工况进行数值模拟，入口压力根据实验结果拟合。针对上述实验工况进行数值模拟，入口压力根据实验结果拟合。由于实验过程中火药燃烧产生的燃气需要达到预设破膜压力值，燃气才开始喷射。燃烧室喷射总压可以近似拟合关系式为ptot=（0.2+7.9e-t/0.004）MPa，t为时间（s）。燃气总温取为2000K.图10为模拟弹丸运动过程中气体与液体组分时空分布。

图10　气体与液体组分时空分布图Fig.10 Spatial and temporal distribution of gas-liquid component

由图10可以看出:在0.5ms前中心射流与斜面射流沿喷孔独立扩展，气体与液体界面较为光滑；在1.0ms时由于斜面射流撞击壁面，气体与液体界面出现破碎，产生气体与液体卷吸，同时侧壁射流出现，侧壁射流贴壁发展，表面产生褶皱；在1.5～2.0ms时，侧壁射流与斜面射流汇聚生成贴壁发展的侧面射流；随着侧面射流的径向发展，在2.5ms时，侧面射流在射流下游开始汇聚，形成贴壁的环状气幕；随着弹丸的运动与射流的发展，气幕范围向下游扩展，随着侧面射流的汇聚，多股射流和气体与液体界面产生湍流掺混作用，在射流汇聚区出现大量液体卷吸。对比数值模拟气体与液体组分分布和实验照片，可以发现模拟结果中多股射流发展序列过程与实验基本一致。

结合气幕形态，可以得到气幕顶部位移随时间变化，如图11所示。对比计算结果与实测值，可以看出二者吻合较好，计算模型具有一定合理性。

图11　气幕顶部扩展位移计算值与实测值对比Fig.11 Comparison of calculated and measured values of gas-curtain displacement

3 结论

根据本文的模拟实验和数值模拟，可以得到以下结论:

1）实验结果表明:通过多股燃气射流与管内液体工质的掺混作用，可实现模拟弹丸运动条件下管内气幕的生成，从而为水下火炮气幕发射方式奠定了基础。

2）通过改变喷射参数，可以发现:随着喷射压力的增加，弹丸运动速度随之增加；增大斜面喷孔尺寸，气幕排水减阻性能提升，弹丸运动速度增大。

3）模拟结果表明，多股燃气射流序列扩展过程与形态与实测结果基本一致，计算获得的射流顶端轴向扩展位移与实验结果吻合较好，计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

国家自然科学基金项目（11372139）；江苏省研究生培养创新工程项目（PYLX15-0391）

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