燃燒輕氣炮多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室流場(chǎng)特性數(shù)值研究*

鄧 飛,張相炎,劉 寧

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京210094)

燃燒輕氣炮多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室流場(chǎng)特性數(shù)值研究*

鄧 飛,張相炎,劉 寧

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京210094)

為了分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒輕氣炮氫氧燃燒特性的影響,通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法,分別對(duì)采用傳統(tǒng)圓柱型燃燒室和多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室的燃燒輕氣炮氫氧燃燒發(fā)射過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)比結(jié)果表明,多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠明顯地減小燃燒室壓力波動(dòng)幅度,提高氫氧燃燒穩(wěn)定性;多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室內(nèi)形成回流區(qū),可以減小氣流軸向運(yùn)動(dòng)速度;火焰擴(kuò)展形態(tài)與漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)相吻合,燃燒反應(yīng)區(qū)表面變化平穩(wěn);多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)氫氧火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和壓力波動(dòng)現(xiàn)象有著重要影響。

爆炸力學(xué);壓力波動(dòng);火焰擴(kuò)展;多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室;燃燒輕氣炮

燃燒輕氣炮(combustion light gas gun,CLGG)是一種利用低分子量可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓 氣 體 推 動(dòng) 彈 丸 運(yùn) 動(dòng) 的 新 型 發(fā) 射 系 統(tǒng)[1]。D.Kruczynski等[2]進(jìn) 行 的 45 mm 口 徑 燃 燒 輕 氣 炮 實(shí) 驗(yàn) ,燃料氣體初始裝填壓力通常在30 MPa以上,點(diǎn)火燃燒后高壓高溫氣體膨脹推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng),在燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力波動(dòng)。Liu Ning等[3]采用 氫氧層流燃燒 速 度 擬 合 公 式數(shù) 值 模 擬 了 燃 燒輕 氣 炮 氫氧 氣體燃燒過(guò)程,提出通過(guò)合理控制氫氧氣體的裝填條件,能夠?qū)溲躅A(yù)混燃燒過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定控制。針對(duì)整裝式液體發(fā)射藥火炮液體燃料的 燃 燒 不 穩(wěn) 定,膛 內(nèi) 易 發(fā) 生 壓 力 波 動(dòng) 和 膛 炸 等 問(wèn) 題,R.Talley 等[4]提 出采用多級(jí)漸擴(kuò)型藥室結(jié)構(gòu)來(lái)控制液體燃 料 的 燃 燒穩(wěn)定性。J.Despirito[5]則采 用 CFD 方法 對(duì) 多 級(jí)漸 擴(kuò)型藥室結(jié)構(gòu)和圓筒結(jié)構(gòu)的整裝式液體發(fā)射藥火 炮 內(nèi) 彈 道 過(guò) 程 進(jìn) 行 數(shù) 值 計(jì) 算 研 究 。 薛 曉 春 等[6-7]在 5 級(jí)漸擴(kuò)型觀察室內(nèi)開(kāi)展了雙束燃?xì)馍淞髟谝后w藥模擬工質(zhì)中擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,觀察了雙股燃?xì)馍淞髟诔湟菏抑械臄U(kuò)展過(guò)程,討論了漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)對(duì) Taylor空腔與 Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性效應(yīng)正反饋機(jī)制的抑制作用。莽姍姍等[8]在4級(jí)漸擴(kuò)型圓柱觀察室中測(cè)量了高壓燃?xì)馍淞髟谝后w模擬工質(zhì)中擴(kuò)展速度等特征,對(duì)比研究了內(nèi)壁形狀對(duì)射流擴(kuò)展過(guò)程的影響。

針對(duì)燃燒輕氣炮氫氧氣體燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題,本文中提出在燃燒輕氣炮中采用多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu),基于計(jì)算流體力學(xué)方法在CFX軟件中模擬計(jì)算分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室氫氧燃燒流動(dòng)與穩(wěn)定特性。結(jié)果表明,采用多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠減小燃燒輕氣炮氫氧氣體燃燒壓力波動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)分析了多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室氣流運(yùn)動(dòng)速度、火焰擴(kuò)展的變化規(guī)律,為下一步實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。

1 多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室物理模型

燃燒輕氣炮多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示,輕質(zhì)可燃發(fā)射藥氣體分別通過(guò)燃燒室底端的輸送管注入燃燒室,軸線上的點(diǎn)火管可沿軸線多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火,點(diǎn)火過(guò)程通過(guò)在點(diǎn)火點(diǎn)輸入點(diǎn)火能量代替。并根據(jù)燃燒輕氣炮裝填條件和混合氣體點(diǎn)火燃燒特點(diǎn),提出如下假設(shè):(1)發(fā)射藥氣體在點(diǎn)火前已經(jīng)完全混合,點(diǎn)火后混合氣 體 進(jìn) 行預(yù)混燃燒;(2)采用 一 步 化 學(xué) 反 應(yīng) 式,不 考 慮 中 間 產(chǎn) 物;(3)膛 內(nèi) 氣 體 滿(mǎn) 足Peng-Robinson實(shí)際氣體狀態(tài)方程;(4)不考慮高溫已燃?xì)怏w與固體壁面之間的熱力學(xué)過(guò)程;(5)發(fā)射過(guò)程中燃燒室無(wú)氣體泄露。

圖1 燃燒輕氣炮多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)Fig.1 Multistage divergent chamber structure of combustion light gas gun

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 氣體控制方程

燃燒輕氣炮氫氧混合氣體燃燒過(guò)程為三維非定?？蓧嚎s黏性湍流反應(yīng)流,控制體內(nèi)的氣體組分都滿(mǎn)足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及組分輸運(yùn)方程[9]:

式 中 :ρ為 流 體 密 度 ,t為 時(shí) 間 ,u為 速 度 矢 量 ,p為 壓 強(qiáng) ,xi、xj、xk為 坐 標(biāo) 分 量 ,Si、Sj、Sk分 別 為 守 恒 方程 的 源 項(xiàng) ,μeff為 有 效 黏 性 系 數(shù) 。

2.2 湍流模型

燃燒室氣 體湍流 流動(dòng)控 制方程 采用 RNG k-ε雙方程 模型[10],該 模 型 在 標(biāo) 準(zhǔn) 的k-ε雙 方 程 模 型 上 進(jìn)行了改進(jìn),其中湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε控制方程如下所示:2

式 中 :Gk為 湍 動(dòng) 能k的 產(chǎn) 生 項(xiàng) ,μeff為 有 效 黏 性 系 數(shù)為 分 子 黏 性 系 數(shù) ,為 湍 動(dòng)黏 度 ,其 中Cμ為 計(jì) 算 常 數(shù);;各 常 數(shù) 取 值

3 結(jié)果討論與對(duì)比分析

在 CFX軟件中采用 EDM 渦耗散燃燒模型對(duì)文獻(xiàn)[1]中的45 mm 燃燒輕氣炮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,初始條件根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得,燃燒室為傳統(tǒng)圓柱型結(jié)構(gòu),容積為5 L,彈丸質(zhì)量為0.52 kg,發(fā)射藥氣體由氫氣、氧氣和氦氣組成,物質(zhì)的量的比為2∶1∶2,身管長(zhǎng)為100倍口徑,當(dāng)彈底壓力達(dá)到172 MPa時(shí)彈丸開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。整個(gè)模擬計(jì)算從點(diǎn)火燃燒開(kāi)始,直到彈丸飛離炮口,采用沿軸線5點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火方式,同時(shí)在燃燒室相應(yīng)位置依次設(shè)置壓力記錄點(diǎn)。圖2所示為壓力記錄點(diǎn)3的數(shù)值計(jì)算壓力曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。圖中可以看出,數(shù)值計(jì)算壓力曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠在較大程度上相吻合,并且比較準(zhǔn)確地計(jì)算出了最大壓力值。在前期0.5~1.5 ms內(nèi),數(shù)值計(jì)算的壓力上升速度稍大于實(shí)驗(yàn)值。彈丸炮口初速實(shí)驗(yàn)值為1 700 m/s,數(shù)值模擬結(jié)果為1 762 m/s,說(shuō)明該模型能夠較好的模擬出燃燒輕氣炮氫氧燃燒內(nèi)彈道過(guò)程,具有一定的合理性和適用性。

圖2 彈底壓力數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the projectile base pressure between simulation and experiment

3.1 多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)壓力波動(dòng)的影響

3.1.1 單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)對(duì)壓力波動(dòng)的影響為了分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)壓力波動(dòng)的影響,采用膛底單點(diǎn)點(diǎn)火方式對(duì)燃燒輕氣炮氫氧燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算所用的燃燒室為圖1所示的四級(jí)漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu),燃燒室共有4個(gè)漸擴(kuò)室,3個(gè)漸擴(kuò)臺(tái)階,各漸擴(kuò)室的長(zhǎng)度相同,各級(jí)的直徑以等差數(shù)列依次遞增,總?cè)莘e為5 L。發(fā)射藥裝填參數(shù)與45 mm燃燒輕氣炮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致。

圖3(a)為單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)多級(jí)漸擴(kuò)型與傳統(tǒng)圓柱型燃燒室中膛底壓力p1的對(duì)比曲線。當(dāng)彈丸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后,傳統(tǒng)圓柱型燃燒室膛底壓力直線上升至350 MPa,形成第1個(gè)壓力峰值,之后在3.4 ms時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)壓力峰值;而在多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室內(nèi),燃燒室膛底壓力在彈丸啟動(dòng)后出現(xiàn)第1個(gè)壓力峰值,約為310 MPa,比傳統(tǒng)圓柱型結(jié)構(gòu)小,之后按照一定的規(guī)律上下波動(dòng),波動(dòng)幅度隨著彈丸向前運(yùn)動(dòng)逐漸減小,燃燒室的壓力波動(dòng)維持在一定的幅度和頻率之內(nèi)。圖3(b)所示為彈底壓力pb對(duì)比曲線,由圖中可知彈丸底部的壓力波動(dòng)現(xiàn)象更嚴(yán)重,傳統(tǒng)圓柱型燃燒室的第1個(gè)壓力波動(dòng)峰值達(dá)到了430 MPa,第2個(gè)峰值達(dá)到了575 MPa,彈底壓力波動(dòng)幅度極大,嚴(yán)重影響了燃燒輕氣炮的內(nèi)彈道性能;而在多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室內(nèi),彈底最大壓力峰值僅為350 MPa,明顯低于傳統(tǒng)圓柱形燃燒室。這說(shuō)明多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠有效控制燃燒輕氣炮燃燒室壓力波動(dòng)幅度和波動(dòng)規(guī)律,有效地減小彈底壓力波動(dòng)現(xiàn)象,提高燃燒室氫氧燃燒穩(wěn)定性。

圖3 單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)膛底壓力和彈底壓力的影響Fig.3 Influences of chamber structure on chamber bottom and projectile base pressures with single-point ignition

3.1.2 多點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)對(duì)壓力波動(dòng)的影響

為了進(jìn)一步分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室的壓力波動(dòng)特性,將單點(diǎn)點(diǎn)火改為沿軸線五點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火,研究多級(jí)漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)在多點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)燃燒室壓力波動(dòng)特性。圖4(a)為采用五點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)2個(gè)不同燃燒室結(jié)構(gòu)膛底壓力p1變化曲線。

當(dāng)采用軸線5點(diǎn)點(diǎn)火方式后,由于整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力分布較為均勻等原因,燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象明顯減弱。從圖4(a)可以看出,在傳統(tǒng)圓柱型燃燒室內(nèi),多點(diǎn)點(diǎn)火方式消除了單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)的2個(gè)壓力峰值,燃燒室內(nèi)壓力變化平緩;在多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室內(nèi)依然出現(xiàn)了呈一定變化規(guī)律的小幅度壓力波動(dòng),波動(dòng)幅度保持在較小的范圍之內(nèi),最大僅約為40 MPa。圖4(b)所示為彈底壓力pb隨時(shí)間變化曲線,在傳統(tǒng)圓柱型燃燒室,盡管膛底壓力p1變化比較平穩(wěn),但是在彈丸底部依然出現(xiàn)2個(gè)明顯的壓力波動(dòng),在2.3 ms出現(xiàn)的壓力波動(dòng)峰值達(dá)到了370 MPa;多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室的彈丸底部壓力上升平緩,變化穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的壓力波動(dòng)現(xiàn)象,壓力曲線較為理想。

圖4 多點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)膛底壓力和彈底壓力的影響Fig.4 Influences of chamber structure on chamber bottom and projectile base pressures with multi-point ignition

通過(guò)以上分析可以得知,采用多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)在單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)可以使燃燒輕氣炮燃燒室壓力在較小幅度內(nèi)按照一定的規(guī)律上下波動(dòng),且波動(dòng)幅度隨膛壓下降而逐步減小;采用軸線五點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)幅度減小,氫氧燃燒穩(wěn)定性提高,尤其是多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室彈底壓力波動(dòng)現(xiàn)象明顯減弱,壓力變化平穩(wěn)。

3.2 多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室流場(chǎng)特性分析

3.2.1 多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室流場(chǎng)流動(dòng)特性

為進(jìn)一步分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)影響氫氧燃燒壓力波動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理,對(duì)四級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室氣流軸向速度及其徑向分布規(guī)律、漸擴(kuò)臺(tái)階面和近壁區(qū)域氣體流動(dòng)特性等進(jìn)行分析。圖5為單點(diǎn)點(diǎn)火方式時(shí)四級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室在壓力波動(dòng)較明顯時(shí)燃燒室yz平面流場(chǎng)速度矢量和流線局部分布圖。燃燒室壓力波動(dòng)從彈丸底部向膛底傳播,在第4級(jí)漸擴(kuò)(右)臺(tái)階處形成明顯的湍流渦漩。在第3級(jí)漸擴(kuò)室(左)近壁區(qū)域內(nèi)形成柱形回流區(qū),可以看出燃燒室內(nèi)混合氣體湍流運(yùn)動(dòng)比傳統(tǒng)圓柱形燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖5 t=3.36 ms時(shí)4級(jí) 漸 擴(kuò) 型 燃 燒 室 流 場(chǎng) 速 度 矢 量 和 流 線 分 布 圖Fig.5 Velocity vector and streamline distribution of four-stage divergent chamber flow field at t=3.36 ms

當(dāng)彈丸沿身管向前運(yùn)動(dòng)時(shí),在彈底會(huì)形成膨脹波(稀疏波)擾動(dòng),膨脹波形成后開(kāi)始向燃燒室底端運(yùn)動(dòng),到達(dá)底端端面發(fā)生反射,開(kāi)始向彈丸底部傳播,在彈底又發(fā)生反射,形成壓力波動(dòng)現(xiàn)象。圖5所示的壓力波經(jīng)彈底反射后向燃燒室底端傳播,由于漸擴(kuò)臺(tái)階的作用,在漸擴(kuò)臺(tái)階近壁處形成回流區(qū),并在第4級(jí)漸擴(kuò)室臺(tái)階處形成湍流渦漩。同時(shí)第4級(jí)漸擴(kuò)室的湍流渦漩區(qū)的氣流分成2個(gè)部分,一部分沿流線向左端燃燒室底端運(yùn)動(dòng),另一部分則向氣體密度、壓力因彈丸運(yùn)動(dòng)而減小的彈底區(qū)域流動(dòng)填充,降低燃燒室內(nèi)軸向壓力梯度,減小膛底、彈底的壓力波動(dòng)幅度。處于燃燒室中部的第2、3級(jí)漸擴(kuò)室近壁區(qū)域出現(xiàn)柱形回流區(qū),氣體流動(dòng)速度減小,同時(shí)由于底端端蓋的封閉作用,氣流在第1級(jí)漸擴(kuò)室內(nèi)形成湍流渦漩區(qū)?？梢钥闯?多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)通過(guò)在燃燒室內(nèi)形成復(fù)雜的回流區(qū)和湍流渦漩,減小氣流軸向速度和軸向壓力梯度,對(duì)氫氧燃燒壓力波動(dòng)現(xiàn)象有著重要影響。

3.2.2不同燃燒室結(jié)構(gòu)流場(chǎng)軸向速度分析

考慮到不同燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室氣流軸向運(yùn)動(dòng)速度及其徑向分布的影響,在軸向距離z=0.25 m處在y正方向上沿徑向設(shè)置3個(gè)氣流軸向速度記錄點(diǎn)。圖6為采用單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)2個(gè)不同燃燒室內(nèi)3個(gè)記錄點(diǎn)的軸向速度vz隨時(shí)間變化曲線(負(fù)值表示氣流向左端膛底運(yùn)動(dòng))。

圖6(a)所示為多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室3個(gè)記錄點(diǎn)的軸向速度曲線。y為記錄點(diǎn)與軸線的徑向垂直距離,中心軸 線處(y=0.0 mm)的軸 向速度 在膛底 形成第 1個(gè)壓 力 波 動(dòng) 時(shí) 數(shù) 值 最 大,約 為 500 m/s,此 時(shí)燃燒室氣流由彈底向膛底運(yùn)動(dòng)。隨著徑向距離y的增大,各點(diǎn)的速度依次減小,壁面處的軸向速度僅為110 m/s,徑向速度梯度較大?？梢钥闯?回流區(qū)對(duì)向膛底運(yùn)動(dòng)的氣流起著阻礙作用,近壁區(qū)域(y= 57.5 mm)的速度vz明顯小于軸線位置的速度;同時(shí),由于多級(jí)漸擴(kuò)燃燒室結(jié)構(gòu)的影響,當(dāng)氣流由膛底向彈底運(yùn)動(dòng)時(shí) ,中心軸 線和壁 面處的 速度維 持在110 m/s以下,漸擴(kuò)臺(tái)階拐點(diǎn)處(y=47.5 mm)的最 大速度約為370 m/s,燃燒室氣流的軸向速度減小,彈底壓力波動(dòng)現(xiàn)象減弱。圖6(b)所示為傳統(tǒng)圓柱型燃燒室3個(gè)記錄點(diǎn)軸向速度隨時(shí)間變化曲線。在2.4 ms時(shí),燃燒室軸線處(y=0.0 mm)氣流軸向 速 度達(dá)到最大值為約740 m/s,徑向中點(diǎn)(y=27.75 mm)處約為550 m/s,近壁區(qū)域(y=47.5 mm)的速 度最小,為220 m/s,圓柱型燃燒室內(nèi)氣流最大軸向速度明顯大于多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室。當(dāng)燃燒室氣體由膛底向彈底運(yùn)動(dòng)時(shí),壁面處的軸向速度達(dá)到了450 m/s,之后速度緩慢下降,在0.5 ms的時(shí)間內(nèi)氣流以約310 m/s的速度持續(xù)向彈底運(yùn)動(dòng),在3 ms時(shí)彈底形成了圖3(b)中所示的575 MPa極高壓力波動(dòng)峰值。

圖6 不同燃燒室結(jié)構(gòu)內(nèi)3個(gè)記錄點(diǎn)的軸向速度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Velocity curve of the three probe points in different chamber structures

通過(guò)上述分析可以看出,多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室氣流向膛底運(yùn)動(dòng)時(shí),漸擴(kuò)臺(tái)階面減小了近壁區(qū)域的氣流運(yùn)動(dòng)速度,形成較大的柱形回流區(qū);當(dāng)氣流由膛底向彈底運(yùn)動(dòng)時(shí),由于各級(jí)漸擴(kuò)室體積的變化,燃燒室氣流軸向運(yùn)動(dòng)速度水平降低,尤其是中心軸線區(qū)域;多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠減小燃燒室氣流軸向速度水平,減小壓力波動(dòng)幅度。

3.2.3多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室火焰擴(kuò)展過(guò)程分析

為了分析多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)氫氧氣體燃燒過(guò)程火焰擴(kuò)散發(fā)展的影響,對(duì)采用單點(diǎn)點(diǎn)火的四級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室氫氧燃燒火焰擴(kuò)散傳播過(guò)程進(jìn)行分析。圖7為四級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室膛底點(diǎn)火位置的火焰擴(kuò)散發(fā)展時(shí)序圖。

在0.9 ms時(shí),火焰沿徑向擴(kuò)散至壁面,充滿(mǎn)邊界壁面和臺(tái)階面死角向第 2級(jí)漸擴(kuò)室傳播。1.1 ms時(shí),火焰表面緊貼漸擴(kuò)室壁面向前擴(kuò)散,反應(yīng)區(qū)變化平緩。在1.25 ms時(shí),第2級(jí)漸擴(kuò)室已經(jīng)完全被火焰反應(yīng)區(qū)覆蓋,不存在未燃區(qū)域?；鹧嫦蛱诺讛U(kuò)散的速度較為緩慢,在1.65 ms時(shí),膛底依然存在小區(qū)域的未燃區(qū),這主要是由于膛底氣流流動(dòng)緩慢,湍流摻混過(guò)程不強(qiáng)烈,同時(shí),火焰在充滿(mǎn)第2級(jí)漸擴(kuò)室后繼續(xù)向第3級(jí)漸擴(kuò)室擴(kuò)散,徑向擴(kuò)散速度較快,火焰表面形狀與燃燒室結(jié)構(gòu)壁面相吻合向前傳播。由此得知,多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠使火焰在向前擴(kuò)展的同時(shí)快速充滿(mǎn)整個(gè)邊界,不形成反應(yīng)死角,已燃火焰區(qū)發(fā)展平穩(wěn),火焰表面形狀隨機(jī)性減少,氫氧燃燒穩(wěn)定性提高。

圖7 四級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室火焰擴(kuò)展時(shí)序圖Fig.7 Flame distribution of four-stage divergent chamber at different times

4 結(jié) 論

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法在CFX軟件中數(shù)值模擬了采用不同燃燒室結(jié)構(gòu)的燃燒輕氣炮氫氧燃燒過(guò)程,著重分析了多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)膛內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象的影響,討論了多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室流場(chǎng)氣流運(yùn)動(dòng)與火焰擴(kuò)展傳播的特點(diǎn),結(jié)論如下:

(1)與傳統(tǒng)圓柱型燃燒室相比,采用多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)能夠明顯地減小燃燒室壓力波動(dòng)現(xiàn)象,提高氫氧燃燒穩(wěn)定性;當(dāng)采用多點(diǎn)點(diǎn)火方式時(shí),多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室內(nèi)出現(xiàn)幅度很小且有規(guī)律的壓力波動(dòng),但其對(duì)內(nèi)彈道性能的影響很小;

(2)多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室在漸擴(kuò)臺(tái)階和近壁區(qū)會(huì)形成回流區(qū)和渦漩區(qū),減小燃燒室氣流軸向運(yùn)動(dòng)速度和壓力波動(dòng);

(3)多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室對(duì)氫氧燃燒火焰擴(kuò)展過(guò)程有著重要影響?；鹧嫦蚯皞鞑ブ翝u擴(kuò)臺(tái)階后,其徑向擴(kuò)展速度增大,火焰擴(kuò)展形態(tài)與多級(jí)漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)相吻合,已燃反應(yīng)區(qū)火焰表面變化平穩(wěn)。

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Simulation on the flow characteristics of multi-stage divergent combustion chamber of combustion light gas gun

Deng Fei,Zhang Xiang-yan,Liu Ning
(School of Mechanical Engineering,Nan Jing University of Science and Technology, Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to analyze influences of multistage divergent chamber structure of combustion light gas gun on the combustion characteristics of hydrogen-oxygen mixed gas,the propellant combustion launching process in the multistage divergent chamber and standard cylinder chamber combustion light gas gun was simulated with the computational fluid dynamics method respectively.Comparative results show that the pressure fluctuations in the chamber of combustion light gas gun are significantly reduced by using the multistage divergent combustion chamber structure,while the stability of hydrogen-oxygen mixed gas combustion is improved.Recirculation zones would be formed in the multistage divergent chamber,which can reduce the flow axial velocity.The flame shape and the divergent chamber structure coincide with each other during its expanding.The surface of combustion zones develops steady.The multistage divergent combustion chamber structure has considerable impact on the flame expansion process and pressure fluctuations in the combustion chamber.

mechanics of explosion;pressure oscillation;flame expansion;multi-stage divergent chamber;combustion light gas gun

O381;TJ302國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0409-07

(責(zé)任編輯 王易難)

2013-09-24;

2013-12-23

鄧 飛(1988— ),男,博士研 究生,artillery1009@163.com。