
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 240034-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0034
收稿日期:2024-01-11
上线日期:2025-04-30
通讯作者:
Received:2024-01-11
Online:2025-04-30
摘要:
等离子体射流在液体工质中扩展时存在影响燃烧过程稳定的正反馈机制,限制了其进一步实际应用化。为探寻等离子体射流在整装式液体工质中的扩展特性,建立等离子体射流与液体工质相互作用的二维轴对称非稳态数学物理模型,并进行模型验证。设计4级渐扩型充液室结构,开展等离子体射流在液体药LP1846模拟工质中扩展特性的数值分析,获得等离子体射流场中压力、速度和温度等特性参数的时空分布规律。研究结果表明:4级渐扩充液室结构可以利用阶梯的诱导作用,增强等离子体射流在充液室径向扩展能力和等离子体射流头部高压高温区径向影响范围,从而控制等离子体射流轴向扩展速度和脉动性;黏度、密度大的液体药LP1846模拟工质,结合渐扩充液室结构可以减缓等离子体射流的轴向扩展速度,可以有效抑制Kelvin-Helmholtz不稳定性和Taylor不稳定性,有利于增强等离子体射流扩展的稳定性;近喷口处由于膨胀-压缩波交替产生导致近场压力、温度存在波动性。
中图分类号:
贾舒翔, 余永刚. 等离子体射流在渐扩型充液室中扩展特性的数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(4): 240034-.
JIA Shuxiang, YU Yonggang. Numerical Simulation of the Expansion Characteristics of Plasma Jet in Gradually Expanding Liquid-filled Chamber[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(4): 240034-.
| 时间/ms | 实测值/mm | 计算值/mm | 误差/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 25.10 | 25.22 | 0.44 |
| 2 | 46.90 | 47.02 | 0.26 |
| 3 | 59.24 | 58.77 | 0.79 |
| 4 | 68.71 | 69.06 | 0.51 |
| 5 | 74.34 | 74.93 | 0.79 |
表1 Taylor空腔头部轴向位移计算值和 实测值的数值对比
Table 1 Numerical comparison of calculated and measured displacements of Taylor cavity head in axial coordinates
| 时间/ms | 实测值/mm | 计算值/mm | 误差/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 25.10 | 25.22 | 0.44 |
| 2 | 46.90 | 47.02 | 0.26 |
| 3 | 59.24 | 58.77 | 0.79 |
| 4 | 68.71 | 69.06 | 0.51 |
| 5 | 74.34 | 74.93 | 0.79 |
| 参数 | 级数 | |||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 直径/mm | 15 | 25 | 35 | 45 |
| 高度/mm | 20 | 20 | 20 | 40 |
表2 4级渐扩充液室结构参数
Table 2 Structural parameters of four-stage gradually expanding liquid-filled chamber
| 参数 | 级数 | |||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 直径/mm | 15 | 25 | 35 | 45 |
| 高度/mm | 20 | 20 | 20 | 40 |
| 液体 工质 | Cp/ (J·kg-1·K-1) | ρ/ (g·cm-3) | η/ (Pa·s) | λ/ (W·m-1·K-1) |
|---|---|---|---|---|
| LP1846 | 4180 | 1.43 | 6.31×10-3 | 0.20 |
| 水 | 4182 | 1.00 | 1.79×10-5 | 0.24 |
表3 液体工质的物性参数[22]
Table 3 Physical property parameters of liquid working medium[22]
| 液体 工质 | Cp/ (J·kg-1·K-1) | ρ/ (g·cm-3) | η/ (Pa·s) | λ/ (W·m-1·K-1) |
|---|---|---|---|---|
| LP1846 | 4180 | 1.43 | 6.31×10-3 | 0.20 |
| 水 | 4182 | 1.00 | 1.79×10-5 | 0.24 |
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
表4 等离子体射流在不同液体工质中的扩展序列
Table 4 Extended sequence diagram of plasma jet in different liquid working media
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
表5 等离子体射流在不同液体工质中扩展时的压力变化
Table 5 Pressure variation of plasma jet as it expands in different liquid working media
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
表6 等离子体射流在不同液体工质中扩展时的轴向速度云图
Table 6 Axial velocity cloud image of plasma jet expansion in different liquid working media
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
表7 等离子体射流在不同液体工质中扩展时的径向速度云图
Table 7 Radial velocity cloud image of plasma jet expansion in different liquid working media
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
表8 等离子体射流在不同液体工质中扩展时的温度云图
Table 8 Temperature cloud image of plasma jet as it expands in different liquid working media
| 液体 工质 | t/ms | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| LP 1846 | | | | | |
| 水 | | | | | |
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