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摘要本课题以整装式液体发射药火炮的点火为工程背景，在回顾和总结国内外整装式液体发射药火炮的研究历程及现状的基础上，研究高温燃气射流在整装式液体中形成Taylor 空腔和气液湍流掺混换热等特性。主要内容如下：1）建立圆柱形充液室中二文轴对称非稳态气液两相数理模型，运用Fluent软件进行数值模拟，并与实验相对比，结果表明，数值模拟结果与实验结果吻合较好。2）在上述工作基础，研究了喷嘴直径和燃气射流喷射压力改变对 Taylor空腔的扩展规律以及气液湍流掺混换热特性的影响。研究结果表明：增大喷嘴直径和燃气射流喷射压力会增大Taylor 空腔轴向和径向的扩展速度，加剧 Taylor 空腔气液界面的不稳定性。27550
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毕业论文关键词 Taylor空腔 数值模拟 燃气射流 气液相互作用 液体药发射火炮
Title Numerical Simulation for Characters of the Interactionof High Temperature Combustible Gas Jet with Liquid
Abstract This study is under the background of firing the bulk-loaded liquid propellantgun. Based on reviewing and concluding the research history and current situationof bulk-loaded liquid propellant gun at home and abroad, Taylor cavity which wasformed by high temperature combustible jet gas jetting into liquid and thecharacters of heat transfer in turbulence where expansion and mixing process ofgas jet in liquid were happened were researched. The main research contents areas followed. Firstly, a 2D-axisymmetric gas-liquid two phases unstable turbulentflow model in cylindrical chamber was designed. By using the Fluent to takenumerical simulation and taking the results to compare with experiments’results,it shows that the experiments and numerical simulation results coincidepreferable. Secondly, based on above works, influence of changing nozzle diameterand injection pressure on pergence form of Taylor cavity and gas-liquid twophases turbulence’s heat transfer characters was researched. The results showthat increasing nozzle diameter and injection pressure can increase the axial andradial expansion velocity of Taylor cavity, and intensify the instability thegas-liquid surface of Taylor cavity.Keywords Taylor cavity numerical simulation combustible jet interaction ofgas with liquid liquid propellant gun
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国外研究现状 1
1.3 国内研究现状 2
1.4 本文研究内容 3
2 数学物理模型 4
2.1 物理模型 4
2.2 数学模型 4
3 计算方法介绍 7
3.1 Gambit 建模和网格划分 7
3.2 Fluent 中参数设定 8
4 数值模拟与分析 9
4.1 数值模拟与实验研究对比 9
4.2 参数变化对 Taylor 空腔变化的影响 12
结论 39
致谢 40
参考文献 41
1 绪论1.1 研究背景及意义随着兵器发射技术的不断发展，各种各样以新概念、新能源为关键性技术的武器不断的被发明出来，如轻气炮、液体发射药火炮、电热炮、随行装药火炮、电磁炮、激光炮等武器。其中，液体发射药火炮的发射技术是现代新概念武器中一项极其重要的发射技术。液体发射药火炮可以被划分成两种不同的方式，整装式（BLPG）液体发射药火炮和再生式（RLPG）液体发射药火炮。 尽管研究者普遍的认为液体发射药武器系统有明显的发展优势且成就瞩目，但是其在武器化过程中遇到的燃烧稳定性较差的问题导致了复杂的燃烧过程、燃烧控制困难等，从而阻碍了液体发射药火炮的实际应用和发展。由于燃烧稳定性差在各各研究中是一种十分常见的现象，因此，解决液体发射药火炮中燃烧不稳定性的问题，不仅有利于推动液体发射药火炮的技术进步和发展，而且也能为其他研究领域提供一种新的思路。1.2 国外研究现状从 1946年开始，美国是第一个进行了液体发射药火炮技术的研究试验的国家，随后，包括英国、德国等在内的各主要军事大国也相继开展了研究工作。这里，从美国的角度来看，发展液体发射药火炮的阶段可以主要归纳为以下几个：液体发射药火炮原理的初次摸索阶段 1946 年—1950 年，首先美国就对口径为 12.7mm三种火炮进行了初次试验，包括整装式液体发射药火炮、再生式液体发射药火炮及外喷式液体发射药火炮。液体发射药及液体发射药火炮原理的探索阶段 1950年—1969 年， 美国继续对整装式液体发射药火炮和再生式液体发射药火炮进行研究试验，但是主要是对整装式液体发射药火炮进行研究。然而在20 世纪 60年代初中期期间，液体发射药火炮的研究发展是处在低潮的，美国仅仅只对整装式液体发射药火炮做出了少许的试验研究。但到 20 世纪 60 年代末，美国海军首先开展的关于液体发射药的研究取得了突破性得进展，研究出了 HAN 基液体发射药，所以液体发射药火炮在美国的研究发展又重新得到了重视。以整装式液体发射药火炮为主要研究对象的液体发射药火炮技术研究阶段 1970 年—1976 年，美国研究发展火炮的重点依旧是对整装式液体发射药火炮进行试验研究。但是由于整装式液体发射药火炮在液体发射药的燃烧过程中会产生Rayleigh-Taylor 不稳定性，从而导致非常差的弹道稳定性，而且在 1976 年的两次试验中连续发生重大灾难事故，所以导致了政府资助的液体发射药火炮的发展计划被迫全部暂停。以再生式液体发射药火炮为主要研究对象的液体发射药火炮技术快速发展阶段 1978年—1987 年，GE 公司通过研究在口径为 25mm、30mm、105mm 等火炮上的 LP1845、OTTOⅡ、N/M、LP1846 等单元液体发射药，成功的对不同种类的再生式喷射结构进行了许多次的射击研究试验，在液体发射药、再生式喷射结构和喷射过程控制的稳定性、防回火技术、内弹道预测、液体发射药喷射的雾化机理及与工程应用相关的技术等方面都取得了突破性的令人鼓舞的成果，最终喷射初速的标准差达到了 0.35%，内弹道拥有良好的再现性和稳定性。但是，在对再生式液体炮技术工程化应用中的一些关键性问题上，如压力的振荡、点火的稳定性差及弹道控制的可靠性差、液体药与喷射结构材料的不相容性等，都没有得到根本有效的解决。液体发射药火炮技术的工程世纪实际应用阶段 1991 年 10 月，美国陆军决定对整个先进的野战火炮系统使用液体发射药火炮，从此标志着美国正式开始进入了液体发射药火炮技术的工程化应用研究。在 1992 年，美国完成了液体发射药的试验研究。但是在 1994 年 5 月，在 Malta 基地试验中却出现了爆炸事故，分析其中的原因是由于没有有效抑制压力的震荡、燃烧的不稳定性、炮膛被液体发射药腐蚀严重等。而在 1999 年之后，美国陆军也开展了液体发射药火炮技术可以应用于坦克炮的理论证明工作， 并以 M1A1坦克为研究对象进行了验证，一致认为应用前景良好。[11][16][19][20]在控制整装式液体发射药火炮的燃烧稳定性上，研究者认为主要可以从点火、液体工质物化性质和边界条件三方面进行考虑。由此，Bracuti A J[2]等人的多级渐扩型燃烧室的概念；R L Talley[4]等人的阶梯渐扩型燃烧室的构想，一次对燃烧过程施加边界约束；J D Knapton[3]等人的组合燃烧室的想法；MAdama[1]等人的锥形燃烧室的想法。这些均极大促进了对整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的控制。1.3 国内研究现状国内对于液体发射药火炮的研究实验要晚于西方国家，对于整装式液体发射药火炮的燃烧室中出现的燃烧不稳定性差的情况，周彦煌等[22]人认为可以通过在药室中填充多孔介质这一方式来减弱燃烧出现的不稳定性。之后，齐丽婷、余永刚等[17]对边界形状的不同对燃烧室中气液相互作用过程的影响进行了实验研究，他们通过对渐扩型结构和矩形药室结构进行实验，分析了不同的边界形状对射流扩展过程特性的影响。随后，莽珊珊、余永刚[14]通过实验研究证明了渐扩型结构尺寸、喷气压力以及喷孔直径对 Taylor 空腔的扩展过程形态以及气液间的湍流掺混强度有十分显著影响，他们通过变化的射流强度（改变点火药量、喷孔直径和膜片厚度）、可变的渐扩型观察室的级数及尺寸来对高压热气流与整装式液体工质的相互作用进行实验研究。之后，莽珊珊、余永刚[15]对整装式液体中高速燃气射流扩展与掺混过程进行了实验研究，以此来找出能够提高整装式液体发射药燃烧稳定性的控制办法。曹永杰、钟阳、余永刚[5]对含能气体射流与液体相互作用进行了实验研究，研究中，他们观察记录了含能气体射流在液体模拟工质中形态的扩展过程，并且分析了实验中出现的喷孔壅塞现象得原因。为了找到高压燃气射流在整装式液体中的拓展规律，寻求出能够提高射流稳定性的控制方法，莽珊珊、余永刚[13]对高压燃气射流在整装液体中扩展过程进行了实验研究和数值模拟，测量了 Taylor空腔的轴向扩展速度，对比了不同观察室内壁形状结构对射流扩展规律的影响；以及对边界形状对高压受限射流扩展稳定性影响的研究[12]等等。这些研究实验极大促进了对整装式液体发射药火炮燃烧室中燃烧不稳定性的研究发展。液体发射药火炮经历了半个多世纪的不断发展，即取得了巨大的成就，也遭受到了各种挫折。从以上叙述中可以看出，国内外研究者对液体发射药火炮或者是整装式液体发射药火炮的发展做出了极大的贡献。因此我们需要借鉴前人的研究，发展新的理论、方法来深入研究，促进了液体发射药火炮的发展。1.4 本文的研究内容高温燃气射流在整装液体中的扩展过程中会产生 Taylor 空腔，由于不同流体交界界面的不稳定，会在Taylor 空腔上形成两种不稳定性，一种为 Rayleigh-Taylor 不稳定，也被叫做为Taylor 不稳定性，它是在两种不同密度的流体之间的分界面上，在惯性力或重力这样的质量力的作用下，由于存在加速度场而导致不稳定性的产生，在本课题中产生的 Taylor 空腔，Rayleigh-Taylor 不稳定性主要发生在产生 Taylor 空腔的高温燃气射流头部；第二种不稳定性是 Kelvin-Helmholtz 不稳定，它是由于在两种流体之间分界面上存在切向速度差而产生的不稳定性，在本课题产生的Taylor 空腔中，主要发生在产生的 Taylor 空腔的两侧界面上。本课题将在之前的研究基础上，以整装式液体发射药火炮的点火为实际工程背景进行以下三方面的研究：（1）建立高温燃气射流在液体中扩展的二文轴对称非稳态的数理模型。（2）基于 FLUENT 软件对高温燃气射流在液体工质水中的扩展过程进行数值模拟，并与相关实验结果[16]比较，获得射流场特征参数的分布特性以及Taylor 空腔的演化规律。（3）运用 FLUENT 软件进行数值模拟，通过改变高温燃气射流的压力和喷嘴的直径获得不同的流场中压力、速度、密度和温度的时空分布特性，以及 Taylor 空腔的扩展规律，以此研究高温燃气射流在整装式液体中产生的 Taylor 空腔和气液湍流掺混换热等特性。
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