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    脈沖等離子射流在空氣中擴(kuò)展特性的測量與分析

    2016-05-08 08:18:32趙雪維余永剛莽珊珊
    含能材料 2016年7期
    關(guān)鍵詞:破膜毛細(xì)管等離子

    趙雪維, 余永剛, 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)

    1 引 言

    等離子體是由大量相互作用但仍處于自由狀態(tài)的帶電正粒子、負(fù)粒子、自由基及各種活性基團(tuán)組成的準(zhǔn)中性系統(tǒng),是與氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種常見物質(zhì)形態(tài)處于同一層次的第四態(tài)物質(zhì)[1]。隨著等離子體物理技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)于20世紀(jì)80年代嘗試運(yùn)用等離子體技術(shù)進(jìn)行火炮發(fā)射,并取得成功[2],而將其應(yīng)用于大口徑火炮發(fā)射的研究更是近年來國內(nèi)外的一個(gè)主要趨勢(shì)[3]。這種發(fā)射方式可以有效地提高彈丸初速和炮口動(dòng)能,與傳統(tǒng)火炮相比,其炮口動(dòng)能提高約25%~55%。與此同時(shí),它靈活的可調(diào)節(jié)性以及較好的適應(yīng)性使其成為發(fā)射領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

    等離子點(diǎn)火技術(shù)是電熱化學(xué)發(fā)射的核心技術(shù)之一,其工作介質(zhì),即等離子體射流本身的擴(kuò)展特性是電熱化學(xué)發(fā)射領(lǐng)域一個(gè)重要的基礎(chǔ)問題。為此,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。潘文霞等[4]對(duì)等離子射流高溫區(qū)宏觀形貌的瞬態(tài)特性進(jìn)行了觀測。Talor等[5]在高能量放電條件下,實(shí)驗(yàn)研究了等離子射流的膨脹過程及其溫度、速度等物理量的分布特性。劉東堯等[6]對(duì)不同放電電壓下毛細(xì)管內(nèi)消融等離子體及其射流壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Chang等[7]實(shí)驗(yàn)研究了放電脈沖長度變化對(duì)等離子射流擴(kuò)展的影響,得到了等離子射流的形態(tài)、流場寬度和深度、光強(qiáng)度等特性。夏衛(wèi)生等[8]實(shí)驗(yàn)研究了等離子熔射過程中的加熱效應(yīng)。Sharikov等[9]實(shí)驗(yàn)研究了毛細(xì)管等離子射流在空氣中的結(jié)構(gòu)演變過程,給出了射流出口到馬赫盤的軸向距離與毛細(xì)管內(nèi)壓力和環(huán)境壓力比值之間的關(guān)系,并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。祁麗昉等[10]計(jì)算了電熱炮放電毛細(xì)管中等離子體的電導(dǎo)率, 模型中考慮了中性粒子碰撞和量子機(jī)理。張琦等[11-12]實(shí)驗(yàn)研究了毛細(xì)管等離子射流在大氣中的膨脹演化過程,同時(shí)建立了等離子射流在大氣中擴(kuò)展的二維軸對(duì)稱非穩(wěn)態(tài)可壓流數(shù)學(xué)模型,采用Fluent軟件對(duì)等離子射流擴(kuò)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Liu等[13]忽略化學(xué)反應(yīng),建立了等離子射流在空氣中擴(kuò)展的簡化模型,并利用CFD軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,給出了等離子射流的溫度、速度等參數(shù)的變化規(guī)律。Porwitzky等[14-15]對(duì)毛細(xì)管等離子射流的擴(kuò)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,考慮了擴(kuò)展過程中的化學(xué)反應(yīng)問題。楊春霞等[16-17]研究了等離子噴射點(diǎn)火過程的物理化學(xué)效應(yīng)及點(diǎn)火一致性問題。

    綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方面,對(duì)等離子射流擴(kuò)展過程中其形態(tài)、溫度、速度、壓力、密度等參數(shù)的變化特性進(jìn)行了研究,得到了等離子射流擴(kuò)展的一般規(guī)律,但是對(duì)于脈沖等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí)的體積變化規(guī)律僅局限于射流形貌圖形的描述,而對(duì)其具體數(shù)值變化以及不同放電電壓和噴射破膜壓力對(duì)體積變化特性的影響未見定量描述。因此,本課題組在前人工作基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)測量了脈沖等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí)的體積變化特性,并且研究了噴射破膜壓力、放電電壓變化對(duì)脈沖等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí)的位移、體積變化的影響規(guī)律。

    2 實(shí)驗(yàn)裝置

    實(shí)驗(yàn)裝置主要包括等離子發(fā)生器和脈沖功率源。其中,等離子發(fā)生器如圖1所示,包括一個(gè)毛細(xì)管、一對(duì)電極、電爆炸絲、噴嘴以及毛細(xì)管外的絕緣體、金屬外殼,裝置右側(cè)開孔測量毛細(xì)管內(nèi)等離子體的壓力變化。實(shí)驗(yàn)采用長度為75 mm、內(nèi)徑為4 mm的聚乙烯管作為被燒蝕的毛細(xì)管材料,采用細(xì)長的鋁箔片作為電爆炸絲。

    圖1 等離子發(fā)生器裝置圖

    1—噴嘴, 2—連接頭, 3—電爆炸絲, 4—金屬殼體, 5—測壓孔, 6—陽極, 7—聚乙烯毛細(xì)管, 8—絕緣體, 9—預(yù)密封膜片(陰極)

    Fig.1 Plasma generator installation drawing

    1—nozzle, 2—connection head, 3—electric exploding wire, 4— metal case, 5—piezometric hole, 6—anode, 7—polyethylene capillary, 8—insulator, 9—pre seal diaphragm (cathode)

    圖2為組成脈沖功率源的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN),它由電容器組容量為46.5 μF,電感器電感為35 μH的電容儲(chǔ)能。實(shí)驗(yàn)時(shí)毛細(xì)管和電爆炸絲兩端通過電極鏈接到脈沖功率源,其中陰極端用薄紫銅膜片密封。脈沖功率源通過一對(duì)電極向電爆炸絲放電,使其形成高溫金屬等離子體,燒蝕聚乙烯毛細(xì)管,產(chǎn)生毛細(xì)管等離子體,當(dāng)陰極密封的等離子體壓力超過密封膜片的破膜壓力后,沖破膜片,從噴嘴噴出形成等離子射流噴入大氣。改變電容器組的放電電壓和放電回路參數(shù)可以調(diào)整等離子射流的出口參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將裝置豎直擺放,令等離子射流垂直噴入大氣環(huán)境,從而排除重力因素的影響。

    圖2 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電路圖

    1—自耦變壓器, 2—隔離變壓器, 3—交流電壓表, 4—升壓變壓器, 5—直流電壓表, 6—電容器組, 7—等離子發(fā)生器裝置, 8—放電開關(guān), 9—放電觸發(fā)器, 10—阻尼電阻, 11—充電電流表, 12—限流電阻, 13—整流堆

    Fig.2 Pulse forming network circuit diagram

    1— self coupled transformer, 2—isolation transformer, 3—AC voltage meter, 4—boost transformer, 5—DC voltage meter, 6—capacitor group, 7—plasma generator, 8—discharge switch, 9—discharge trigger, 10—damping resistor, 11—charging current meter, 12—current limiting resistor, 13—rectifier

    實(shí)驗(yàn)采用FASTCAM-ultima APX數(shù)字高速錄像系統(tǒng)記錄等離子射流在大氣中的演化過程,采用CY-YD-205型壓電式壓力傳感器測量實(shí)驗(yàn)過程中毛細(xì)管內(nèi)的壓力變化。實(shí)驗(yàn)裝置邊緣事先立有固定標(biāo)尺,以便讀出不同時(shí)刻等離子射流擴(kuò)展的位移。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中將通過選擇不同的密封膜片的厚度來控制噴射破膜壓力的變化。

    3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    3.1 等離子射流在大氣中擴(kuò)展形態(tài)演化特性

    實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)徑為5 mm、外徑為14 mm的噴嘴,放電電壓為2100,2500,3000 V。脈沖電源放電轉(zhuǎn)化率約為40%,則放電能量約為41,58,84 J。由壓力傳感器測得的聚乙烯毛細(xì)管內(nèi)的典型p-t曲線如圖3所示。從圖3中可以看出,毛細(xì)管內(nèi)的壓力初始時(shí)迅速上升,此時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的等離子體壓力尚未達(dá)到預(yù)密封膜片的破膜壓力。當(dāng)壓力達(dá)到最大值時(shí),如圖3中p=2.13 MPa時(shí),等離子體破膜而出,毛細(xì)管內(nèi)壓力逐漸下降并趨近于環(huán)境壓力。

    圖3 毛細(xì)管內(nèi)的典型p-t曲線

    Fig.3 Typicalp-tcurve in capillary

    當(dāng)放電電壓為3000 V,噴嘴內(nèi)徑為5 mm時(shí),等離子射流在大氣中擴(kuò)展形態(tài)的演化過程序列圖如圖4所示,根據(jù)所拍陰影照片,應(yīng)用Photoshop軟件進(jìn)行處理,生成對(duì)稱立體圖像,計(jì)算得到等離子射流擴(kuò)展時(shí)的體積變化,如圖5所示。

    圖4 等離子射流在大氣中擴(kuò)展形態(tài)的演化過程

    Fig.4 The evolution process for the extended form of plasma jet in atmosphere

    圖5 等離子射流的體積變化曲線

    Fig.5 Volume change curve of the plasma jet

    從圖4、圖5中可以看出,在0~1.33 ms,等離子射流整體逐步形成類橢球狀,其擴(kuò)展體積逐漸增大,1.67 ms時(shí)達(dá)到最大擴(kuò)展體積,隨后等離子射流逐漸擴(kuò)展成一個(gè)類錐體的射流頭部和一個(gè)類柱體的射流尾部組合體,隨著能量的耗散,等離子射流的擴(kuò)展體積逐漸減小。在射流發(fā)展后期由于湍流耗散作用,射流邊緣破碎,使得射流體積隨時(shí)間出現(xiàn)細(xì)微的上下波動(dòng),將其稱為微震蕩現(xiàn)象。

    等離子射流擴(kuò)展過程中其亮度開始時(shí)逐漸變強(qiáng),整體呈亮白色,并伴有光暈出現(xiàn)(如0.67~2.33 ms),隨后亮度逐漸減弱,光暈消失,射流邊緣部分呈現(xiàn)金屬黃色。2.67 ms以后等離子射流下部類柱體邊緣部分出現(xiàn)褶皺,表明等離子射流在擴(kuò)展時(shí)與周圍空氣發(fā)生強(qiáng)烈的湍流摻混作用,出現(xiàn)湍流耗散現(xiàn)象,隨著射流的擴(kuò)展,等離子射流邊緣逐漸破碎,散布在主體周圍。

    等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí),射流軸向位移和徑向位移可通過標(biāo)尺長度按比例直接讀出,射流前端凹凸面取平均值,其隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出,等離子射流擴(kuò)展過程中軸向位移單調(diào)增加,而徑向位移隨時(shí)間成單峰分布,徑向位移首先隨時(shí)間逐步增大,達(dá)到最大值之后逐漸下降,達(dá)到徑向位移最大值所用時(shí)間約為1.33 ms。

    圖6 等離子射流的軸向及徑向位移曲線

    Fig.6 Axial and radial displacement curves of the plasma jet

    3.2 放電電壓對(duì)等離子射流擴(kuò)展過程的影響

    當(dāng)放電電壓分別為2100,2500,3000 V,噴嘴內(nèi)徑為5 mm,噴射破膜壓力均為2.2 MPa時(shí),等離子射流在大氣中的擴(kuò)展體積比較如圖7所示。由圖7可以看出,等離子射流擴(kuò)展過程中,體積將經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過程。噴射破膜壓力相同時(shí),隨著放電電壓增大,等離子射流的擴(kuò)展體積增大,但增大的幅度有所下降,且由于放電電壓增高,湍流耗散現(xiàn)象增強(qiáng),等離子射流破碎嚴(yán)重,Uc=3000 V時(shí)的射流體積在2.33 ms后略小于Uc=2500 V時(shí)的射流體積。

    圖7 不同放電電壓下等離子射流的體積變化曲線

    Fig.7 Volume change curves of the plasma jet at different discharge voltage

    放電電壓不同時(shí),等離子射流在大氣中擴(kuò)展的軸向位移x和徑向位移r的比較如圖8所示。由圖8可以看出,等離子射流擴(kuò)展過程中其軸向位移先迅速增大,后逐步趨緩。其徑向位移先增大后減小,且整個(gè)擴(kuò)展過程中徑向位移均小于軸向位移。由圖8a可以看出,在2 ms后,由于高速向前運(yùn)動(dòng)的射流邊緣在擴(kuò)展過程中與周圍靜止的空氣不斷摻混、耗散,并隨著射流的擴(kuò)展,摻混逐步向射流中心區(qū)逼近。放電電壓越大,這種湍流耗散現(xiàn)象越劇烈,后期等離子射流頭部破碎越嚴(yán)重,從而使得Uc=3000 V時(shí)的等離子射流后期軸向位移小于Uc=2500 V時(shí)的等離子射流軸向位移。由圖8b可知,由于3000 V的放電能量大于2500 V的放電能量,前期3000 V時(shí)射流徑向擴(kuò)展位移遠(yuǎn)大于2500 V時(shí)射流徑向擴(kuò)展位移,而3000 V時(shí)射流擴(kuò)展的湍流耗散現(xiàn)象比2500 V時(shí)的更為劇烈,射流邊緣破碎情況也更為嚴(yán)重,出現(xiàn)“過沖”現(xiàn)象,導(dǎo)致中期其徑向位移小于2500 V時(shí)的徑向位移。但由于3000 V時(shí)等離子體總體能量相對(duì)較大,后期其等離子射流徑向擴(kuò)展位移仍略大于2500 V時(shí)的徑向位移。因此在位移曲線上表現(xiàn)為兩次交叉現(xiàn)象。當(dāng)Uc=2100,2500,3000 V時(shí),等離子射流徑向擴(kuò)展最大位移分別為80.21,150.93,189.23 mm。由此可見,在噴射破膜壓力相同的條件下,隨著放電電壓的不斷增大,盡管等離子射流徑向位移的最大值增大,但增大的幅度卻減小了。

    a. x-t curves

    b. r-t curves

    圖8 不同放電電壓下等離子射流軸向及徑向位移曲線

    Fig.8 Axial and radial displacement curves of the plasma jet at different discharge voltage

    3.3 噴射破膜壓力對(duì)等離子射流擴(kuò)展過程的影響

    相同放電電壓、不同噴射破膜壓力下等離子射流擴(kuò)展的體積變化比較如圖9所示,從圖9可以看出,噴射破膜壓力pm=2.2 MPa時(shí)的等離子射流的最大擴(kuò)展體積為Vm=460.47 cm3; 噴射破膜壓力pm=3.6 MPa時(shí)的最大擴(kuò)展體積為Vm=1548.04 cm3,由此可見,放電電壓相同時(shí),隨著噴射破膜壓力的增大,等離子射流在大氣中的擴(kuò)展體積顯著增加。

    圖9 不同噴射破膜壓力下等離子射流的體積變化曲線

    Fig.9 Volume change curves of the plasma jet under different jet breaking film pressure

    圖10為放電電壓為2100 V,噴射破膜壓力分別為2.2 MPa和3.6 MPa,噴嘴直徑為5 mm時(shí),等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí)的軸向位移x和徑向位移r的比較。從圖10可以看出,放電電壓相同時(shí),隨著噴射破膜壓力的增大,等離子射流的軸向擴(kuò)展位移及徑向擴(kuò)展位移均增大,這是由于噴射破膜壓力越大,等離子體沖破密封膜片進(jìn)入大氣環(huán)境時(shí)的出口壓力和初始動(dòng)能越大。

    a. x-t curves

    b. r-t curves

    圖10 不同噴射破膜壓力下等離子射流軸向及徑向位移曲線

    Fig.10 Axial and radial displacement curves of the plasma jet at different jet breaking film pressure

    4 結(jié) 論

    對(duì)等離子射流在空氣中的擴(kuò)展過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了等離子射流擴(kuò)展時(shí)的形態(tài)、位移、體積等特性,同時(shí)討論了在不同放電電壓及噴射破膜壓力條件下,等離子射流的擴(kuò)展位移、體積等參數(shù)的變化規(guī)律,可以得到如下結(jié)論: (1)等離子射流在大氣中擴(kuò)展時(shí),由初期的類橢球狀逐漸擴(kuò)展成一個(gè)類錐體的射流頭部加一個(gè)類柱體的射流尾部組合體,在此過程中其亮度由強(qiáng)變?nèi)酢?2)等離子射流擴(kuò)展過程中,軸向位移隨時(shí)間單調(diào)增加,而徑向位移先迅速增大后逐步減小,后期隨著放電能量的消耗以及湍流耗散的作用,其軸向和徑向位移變化速率減小。射流擴(kuò)展體積變化與徑向位移類似,將經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過程,擴(kuò)展后期由于湍流脈動(dòng)現(xiàn)象的存在,射流體積隨時(shí)間出現(xiàn)微震蕩現(xiàn)象。(3)噴射破膜壓力相同時(shí),放電電壓由2100 V增至3000 V過程中,等離子射流軸向位移逐漸增大,其徑向位移最大值也由80.21 mm增至189.23 mm。且放電電壓越大,射流擴(kuò)展后期湍流摻混越劇烈,等離子射流的軸向位移、徑向位移及擴(kuò)展體積雖隨之增大,但增幅卻減小。而當(dāng)噴射破膜壓力分別為2.2 MPa和3.6 MPa時(shí),等離子射流的最大擴(kuò)展體積分別為460.47 cm3和1548.04 cm3,其增大幅度較為顯著,且噴射破膜壓力的變化對(duì)射流的軸向擴(kuò)展位移及徑向擴(kuò)展位移均有較大的影響。

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