射流技术的现况

射流技术在近十年来的发展,一方面表现于大量的应用,同时还表现于以下几个方面。1.射流元件射流元件是控制线路中的基本单元,基本上分为比例式和数字式两大类,多属利用附壁效应、动量交换、紊流流动、剥离和渦流五类不同      

概况

1.各国发展射流技术简况1959年美国哈利·戴蒙德买验室(HDL)利用附壁效应制成了射流元件,美国陆军部和宇宙航行局急于把这项成果应用于尖端武器,据统计从1959年到1964年投资总额达三千万美元。但是由于存      

利用纹影仪对亚音速附壁射流的初步研究

利用纹影仪初步研究了射流元件内的亚音速附壁射流.多次用高速摄影机以5000张/秒的速发连续拍摄了射流元件的切换过程. 在纹影技术上,提出了能获得较高灵敏度的隔线新用法. 综合实验结果,描绘了元件切换的物理图案.证实了缓慢切换和快速切换确实有根本差别,特别是指出了快速切换时,流束不仅有“滞留”现象,而且实际上还在该位置作往复摆动;指出了在本文研究的范围内,条件相同时的切换“反应时间”有很大差异的原因主要就在于此. “反应时间”的分散性,不仅有文献报道,而且亦为我们多种实验所证实.据此,本文评价了外国义献计算切换时间的某些假定,并对一些文献中提出的“传输时间”概念,提出了商榷意见.     

近固壁微米尺度空泡溃灭的数值研究

考虑空泡表面张力、液体黏性和气体可压缩性,采用VOF多相流模型对近固壁微米尺度空泡在静止流场溃灭过程进行了数值研究.获得了近固壁空泡溃灭过程的流场细节,分析了空泡与固壁的无量纲距离γ对空泡溃灭过程动力特性的影响,并揭示了不同γ条件下的固壁空蚀破坏机理.计算结果表明:随着γ的减小,泡心向固壁移动的趋势明显,射流形成前空泡上部高压区内压力减小,空泡溃灭时间延长,最大射流速度减小.模拟结果验证了空泡溃灭将产生冲击波和高速微射流,二者均会在固壁面产生脉冲压力,其是造成壁面损伤的两种主要原因.参数γ对固壁的空蚀破坏机理有重要影响.与微射流机制相比,以冲击波机制为主的空蚀破坏更显著.微射流冲击固壁的作用半径为10μm左右,将引起固壁"点"蚀坑的出现.当γ=2.0时,冲击波扫掠壁面的范围相对较广,有效作用半径约为1 mm,其导致固壁产生较大圆形蚀坑,且中心空蚀严重.     

水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法,并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统,开展了不同工况下高速水射流的实验研究,研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响,并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压,给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明:腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素;生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。     

自由水跃区壁面阻力的研究

根据已有文献对附壁射流区流速分布和壁面阻力的试验成果,分析了自由水跃区断面流速分布和最大流速沿程分布规律;首次根据边界层的动量积分方程分析了水跃主体段的射流厚度、水跃区的壁面切应力系数、壁面阻力系数的变化规律;给出了边界层厚度、壁面局部阻力系数、壁面阻力系数、平均壁面阻力系数的计算方法,并将计算结果与已有文献的试验资料进行了比较。结果表明:由本文式(9)和式(26)得到的数据与文献中的试验数据吻合较好;在Fr1≥5.45时,式(29)的计算结果与试验较吻合,在Fr1?5.45时,其计算结果与试验偏差较大;采用本文公式(34)计算水跃的共轭水深,与文献所得结果的最大误差为3.643%。     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流,为探究微射流冲击壁面流固耦合效应,利用流体力学及冲击动力学,考虑了率相关的J-C材料本构模型,建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型,并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑,凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大,凹坑直径主要与微射流直径正相关,而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关;壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘;超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑,反演分析方法表明,在16~18的径深比下,微射流冲击强度为420~500MPa,对应的微射流速度为310~370m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符,验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性,为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

通过数值仿真计算,模拟近壁面以及附壁面气泡在静止流场和高速水流中的溃灭过程,研究气蚀作用机理.结果表明:气泡与壁面的距离和水流的速度影响其溃灭时间;附壁面气泡在高速水流中完全溃灭的时间最短,而在静止流场中最长,远离壁面将增加气泡的不稳定性;当气泡距离壁面一定距离溃灭时,射流不能直接作用于壁面,壁面承受冲击波的最大压力远小于气泡溃灭中心的压力;当气泡溃灭中心在壁面时,射流直接作用于壁面产生微小而严重的点破坏,而冲击波则使材料产生交变应力,造成环形破坏;当气泡在高速水流中溃灭时将产生逆流斜向射流,这可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑和波纹状破坏的主要原因.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

关于湍流射流问题

在很多工程技术部门中,例如火箭技术、飞机、透平、锅炉、燃烧室、化工冶金设备、通风设备、其他流体装置以及射流元件等,大量遇到湍流射流的流动问题。因此,阐明湍流射流流动的规律,从而为工程实际应用提供分析与计算有关参数的依据,就具有很重要的意义。      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

小口径轴对称收缩喷嘴射流冲击大平板噪声指向特性研究

实验研究了3毫米口径轴对称收缩喷嘴在各种压比下射流垂直冲击和倾斜冲击坚固大平板产生的噪声的指向特性。发现噪声在过平板法线和喷嘴轴线的平面内呈近似四瓣分布，当喷嘴与平板距离减小时，指向壁射流下游的瓣得到增强，反之，指向喷嘴上游的瓣得到增强。喷嘴压比增加时，指向壁射流下游的瓣得到增强，反之，指向喷嘴上游的瓣得到增强。根据自由射流噪声的基本指向特性、射流冲击噪声基本指向特性、声波在平板处发生镜面反射和声波能量叠加的设定，建立了一个冲击射流总体噪声指向特性的模型，成功解释了实验结果，并揭示了形成冲击射流总体噪声指向特性的内在机理。     

双材质复合射流对混凝土的侵彻

为了增大射流对混凝土靶板的开孔直径,并保证侵彻深度满足要求,在传统铜质药型罩与空气接触的一侧增加了铝质药型罩,这样在炸药爆炸驱动下形成内芯由高密度材料、外层由低密度材料组成的双材质复合射流,增大了射流直径。并根据双材质复合射流的侵彻特点,分析了侵彻过程中单质射流侵彻、双滞止点侵彻和单滞止点侵彻下的混凝土开孔直径。X射线实验显示:双材质复合射流成型形态良好,铝罩较厚时射流直径增大;在实验范围内,随着铝罩厚度的增加开孔直径有所增大,并且满足侵彻深度要求。对双材质复合射流的侵彻过程进行了理论计算,实验与计算孔形较好吻合。     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

爆轰波波形与药型罩结构匹配对杆式射流成形的影响

为提高杆式射流对钢靶的侵彻能力,设计了一种偏心亚半球药型罩,通过爆轰波碰撞理论推导出药型罩压垮速度,并结合改进的PER理论建立了杆式射流成形的模型。分析了药型罩结构参数对爆轰波碰撞压力的影响规律,获得了等质量变壁厚药型罩射流质量及速度分布的变化规律。结果表明:马赫反射压力随偏心距的增大而增大,随外壁曲率半径的增大而减小,而正规斜反射压力与马赫反射压力变化规律相反,且马赫反射压力受药型罩结构影响较大;通过对比不同方案,罩顶与罩口部厚、中间薄形状药型罩形成的射流质量提高了29.5%,头部速度提高了21.3%,且速度梯度最大,相同炸高条件下侵彻深度提高了约2倍装药直径。针对优化结构进行了数值模拟和实验验证,通过对爆轰波波形与药型罩结构合理的匹配设计,使形成的杆式射流成形及侵彻性能得到显著提升。     

RNG湍流模型在冲击射流数值计算中的应用

 将3种版本的RNG,k-ε湍流模型应用于轴对称冲击射流场的数 值模拟. 通过与实验结果的比较，考察了模型系数的改变和非线性附 加项对数值结果的影响，评价了三种模型对冲击射流的数值预测能力.     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

约束及增韧对氧化铝陶瓷抗射流侵彻性能的影响

基于DOP实验方法开展了2种约束氧化铝陶瓷抗射流侵彻性能系列实验研究,分别获取了AD95陶瓷及10%氧化锆增韧陶瓷抗射流侵彻过程的侵彻深度-时间（P-t）曲线及他们在验证靶上的剩余穿深,并与45钢的抗侵彻数据进行了对比。结果表明:2种陶瓷抗射流侵彻的防护因数均大于1;约束陶瓷抗射流侵彻能力得到了较大提高;增韧陶瓷抗射流侵彻能力优于AD95陶瓷。基于实验结果分析了约束陶瓷抗射流侵彻的机理,提出约束边界反射产生的回爆对射流稳定性的干扰是约束陶瓷抗射流侵彻能力提高的主要原因。     

热激励器对超声速圆管射流的控制机理

采用大涡模拟方法研究了热激励器对马赫1.3 超声速圆管射流涡结构的影响, 采用加入净热源的方法模拟了热激励器的热效应, 分析了不同激励模态(m =±1 和m =±4) 的降噪和增加射流掺混的效果. 研究发现: (1)射流在受到激励作用时, 产生了更大的径向和周向速度扰动, 这有利于流向涡的形成, m =±1 激励模态下流向涡的发展更快, 特别是在摆动面上会有更大的增长速度; (2) 气动噪声分布的频带很宽, 激励作用对抑制高频气动噪声有较强的作用; (3) 对于在喷管壁面处产生的固壁噪声, m =±4 模态下的激励作用一定程度上加强了固壁噪声.      

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理,完善等离子体激励器数学模型,提升等离子体激励器扰动能力,采用粒子图像测速技术,在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究.实验时,将非对称布局激励器布置在平板模型上,随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内,从而避免环境气流对测试结果的影响.基于激励器诱导流场,分析了激励电压对诱导射流特性的影响,揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构,获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程,计算了卷起涡脱落频率,阐述了卷起涡与启动涡的区别,初步探索了卷起涡的耗散机制.结果表明:(1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性,激励电压是影响射流特性的重要参数.当电压较低时,诱导射流为层流射流;当电压较高时,诱导射流的雷诺数提高,射流剪切层不稳定,层流射流逐渐发展为湍流射流.(2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构;在固定电压下,这些涡结构存在恒定的卷起频率.(3)当激励电压较高时,流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形,引起了流场湍动能增大,从而加速了卷起涡的耗散.研究结果为全面认识激励器射流特性,进一步挖掘激励器卷吸掺混能力,提升激励器控制能力积累基础.