烟火药水下燃烧喷口气泡的动力学模型及实验验证

为了研究烟火药水下燃烧的声辐射特性,从药剂燃烧的三大守恒方程出发,结合水下排气方程建立了喷口气泡演变的动力学模型,并在相同的条件下(水深为0.5m),采用高速摄影实验对模型的计算结果进行了验证。结果表明：测试结果与模型计算结果在前期(0.033s之前)吻合较好,平均相对误差为4.22%,后期(0.033s之后)由于气泡偏离了球形而产生了一定的误差,平均相对误差为15.46%。     

水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

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。

     

基于气泡形态影响的水下气幕对冲击波衰减效果分析

气泡帷幕是水下爆炸冲击波防护的重要手段,对其作用机理及技术参数的深入研究对水下爆破安全与应用具有重要意义。采用高速摄影技术对室内小型水下气泡帷幕模型拍摄发现气幕在形成过程和与水下爆炸冲击波相互作用过程中均具有高度非连续性和非均匀性,且气幕区域内气体与液体混杂,界面轮廓复杂多样。在此基础上,考虑气泡形状及界面影响下,通过LS-DYNA有限元软件自带的APDL语言进行编程,实现了在设定的气幕区域内,通过设定气泡直径变化范围及气泡直径之间的最小差异值随机投放一定数量不同直径的气泡来模拟真实气幕中气泡的分布,并通过改变固定区域内气泡个数来模拟不同气压值工况下的气幕效果。分析发现该方法能够更加真实反映气幕在冲击波防护过程中的防护机理,随着单位区域内气泡数量的增大,防护效果越明显,但当气泡数量达到一定数量后气幕整体连续性及稳定性基本固定,防护效果也趋于稳定。     

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

水下爆炸气泡运动的理论研究

在适当深度的无黏、无旋的流体中对水下爆炸气泡运动特性进行理论研究。综合运用势流理论、能量方程以及拉格朗日方程建立气泡在不可压缩流体中的运动方程。并以此为基础,考虑重力、浮力以及阻力等多种因素对气泡运动特性的影响,通过引入新的边界积分方程,结合分析力学中完整非保守系统的Hamilton原理建立气泡在可压缩流体中的运动微分方程,并对微分方程进行求解。将方程的数值解与MSC.DYTRAN非线性有限元软件的计算结果以及经验公式进行对比,方程数值解与二者都具有较好的一致性。结果表明,基于非保守系统可压缩流体建立的气泡运动方程正确、可行,相关的理论研究和计算具有一定参考价值。     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

气泡弹性对同心筒水下发射影响研究

潜射导弹自同心简装置发射过程中在筒口处会形成燃气泡,由于气泡在水下的弹性效应,水气耦合作用导致气泡周期性地膨胀压缩,会对导弹弹道参数、受载特性产生一定影响.以CFD为技术手段,建立了导弹水下发射动态仿真模型,通过数值模拟获得了发射过程中多相流场、导弹弹道参数及受力的时间历程曲线,分析了气体弹性效应对参数变化的影响;并针对发射深度及其发射艇速对气泡弹性效应的影响进行了仿真分析,给出了其影响规律.仿真方法和结果对工程研究有一定参考价值.     

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Rung...     

Experimental Study on Bubble Movement Characteristics during Underwater Pyrotechnic Combustion

High-speed photography was used to study bubble movement characteristics during underwater pyrotechnic combustion. The results show that bubble behaviors include bubble formation at the nozzle, departure from the nozzle, bubble coalescence, and bubble breakup. Compared with cavitation bubbles and fluidization bubbles, the nozzle bubbles formed during underwater pyrotechnic combustion feature larger diameters, up to centimeters, and darker, and more irregular shapes. During large bubble coalescence, two bubbles approach each other, generate a channel for transfer of mass and heat, and finally coalesce. The bubbles contain high-temperature gases and solid residues generated during pyrotechnic combustion, which lead to non-uniform forces on the bubble surface and make the bubbles more prone to breakup. Because of the high-temperature solid grains, the surrounding liquid vaporizes to form bubbles.     

水中电爆炸的实验研究

利用冲击大电流通过水中的一段金属丝进行水中电爆炸实验 ,通过对水中电爆炸的放电电压、电流波形测量以及高速阴影摄影和扫描摄影 ,记录了冲击波的传播、汽泡增长和等离子体半径的时间特性 ;由不同充电参数的实验 ,得到了一些基本规律。比较了水中电爆炸和空中电爆炸的异同 ,揭示了水中电爆炸存在的放电模式。     

汽油机燃烧室内温度场测量的激光剪切干涉法

采用激光剪切干涉法测量了汽油机燃烧室内的温度场,并分析了剪切干涉法测温的基本原理,推导出利用干涉条纹图求解温度分布的关系式。在一台二冲程火花点火发动机上设置石英窗和信号同步系统,建立了适合高速摄影的激光剪切干涉测量装置。通过改变剪切干涉量,测取发动机燃烧室内干涉条纹图,从而获得缸内燃烧的二维温度场。结果表明,激光剪切干涉法抗振性强,光路简单可靠,可以进行高速摄像,是研究内燃机燃烧过程的有效方法。从温度场可以看出,燃烧过程中缸内大致可分为三个区,即已燃区、未燃区和燃烧区,具有不同的温度分布和温度梯度。燃烧区温度最高,温度梯度大;已燃区温度次之,梯度较小;未燃区温度最低,但梯度较大。     

水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究

超高速水下航行器通气系统工作时需采用多级通气流量.为获得通气流量的设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了超空泡生成和维持、通气流量突变对空泡形态影响的系列实验研究.实验结果表明:生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,就本次研究所选的模型而言,前者是后者的2.616倍左右;通气超空泡生成速度与航行器速...     

大电流快速加热条件下LY12铝板动态变形的云纹干涉法实验研究

本文研究了中间带孔受拉铝板在大电流热冲击条件下的动态变形测试．在试件表面制作高温高频光栅，预加机械载荷后放入双光束云纹干涉光路中，用大电流加热器对试件进行快速加热，利用高速摄影机拍摄记录试件表面圆孔附近区域干涉条纹的变化情况，同时利用测温系统对试件的温度变化情况进行了测试记录．实验结果表明，用高速拍摄方法摄影热冲击条件下的云纹干涉条纹变化是可行的．     

含铝炸药水下滑移爆轰实验研究

为了研究含铝炸药水中爆炸近场范围内沿装药径向的冲击波特性及爆轰产物的膨胀规律,设计了水下滑移爆轰实验装置。采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了一种RDX基含铝炸药的水下滑移爆轰过程,获得了清晰的水下滑移爆轰过程的扫描图像。通过对图像进行分析,得到了水中爆炸近场范围内沿装药径向冲击波的传播迹线及爆轰产物气泡的膨胀迹线,进而分析出冲击波传播速度、阵面压力及爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律。此外,根据气泡的膨胀迹线,标定了该含铝炸药爆轰产物的JWL状态方程参数,并将其与Φ50mm圆筒实验确定的参数值在p-V图上进行了对比。结果显示,两者偏差较小,证实了该方法的可行性。     

The Peculiar Dynamics of Cavitation Bubbles

Details from cavitation bubble dynamics are reported: jet formation, counterjet formation, shock wave radiation and light emission. Multiple shock wave radiation from single bubble collapse with jet formation could be time resolved by high speed photography with 20 million frames per second. An explanation of counterjet formation is given. Pictures of the light emission (sonoluminescence) in acoustic cavitation are presented.     

内燃机磨合与表面改性实验研究

针对EQ6100型汽油机,利用内燃机磨合台架试验装置对所研制的内燃机专用磨合油与普通15W／40内燃机油进行对比磨合试验,对磨合油液进行直读铁谱分析,对缸套－活塞环磨合表面形貌及元素组成进行测试分析。结果表明：专用磨合油的磨合效果明显优于普通内燃机油;超细金刚石微粉可以加速磨合进程,分化并减小磨屑尺寸,从而避免缸壁拉伤和改善缸套－活塞环摩擦副的摩擦学特性。     

水中脉冲放电的压力特性研究

同时利用高速摄影仪和压力传感器研究水中高压脉冲放电的压力特性。实验发现 ,当电容器的电容为 4 .1F ,充电电压为 10kV ,电极间隙为 7mm时 ,水中冲击波的波速为 1 5km s。通过压力传感器测得放电所产生的冲击波和气泡首次回胀时产生的冲击波在离通道 0 3m处的峰值压力分别为 1 5 5MPa和 0 5 5MPa ,模拟计算所得的峰值压力分别为 1 0MPa和 0 3 8MPa ,两者基本相符。另外 ,还根据高速摄影仪所拍摄到的等离子体通道直径的扫描照片 ,计算了在放电 3 0 s后通道内的压力为约 4 9MPa ,通道半径和壁速分别为 4mm和180m s。     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。