DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170666
第12期：4565-4575
环形喷管水下气体射流
夹断过程
李婷婷1,2，胡俊1，曹雪洁1，于勇1
（1北京理工大学宇航学院，飞行器动力学与控制教育部重点实验室，北京 100081；2中航工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089）
摘 要
引 言
气体在液体中的运动普遍存在于许多工程技术领域中，民用如喷射冶金、水下切割/焊接等；国防工业如潜射导弹破水发射、水下喷气推进等。水下气体射流动力学作为多相流领域的热点问题一直受到国内外学者的关注。
早期关注水下气体射流动力学的行业是冶金工程。对流态的区分和转变方面，Mori等将氮气通入液态汞中，通过改变氮气速度发现存在两种流态：① 泡流流态，此时低速气体在水中呈离散泡状喷出；② 射流流态，此时高速气体在水中呈连续气体喷射而出。同时发现从泡流流态到射流流态的转变发生在气体流速为声速附近的一个范围内。Mcnallan等通过实验验证了泡流流态和射流流态的存在，并探究了这两种流态转变的影响因素。之后Zhao等将这个流态转变的中间态称为过渡流态。
对气体在液体中形成的射流形态研究中，有 献提出了气体射流不连续的现象，即间歇性的出现“射流夹断”和“射流持续”两种现象。戚隆溪等采用插入式静压探针测量了射流轴线压力分布，为射流发生夹断和射流内部压力变化之间的关系提供了一定的依据。Surin等提出液体中的气体射流界面的脉动和气体射流中轴线区域气体的滞留有关，而射流界面的变动对应了射流膨胀和颈缩甚至夹断的发生。也有 献表明，气液两相界面的不稳定性、流场压力变化以及能量变化导致了射流夹断的发生。王柏懿等使用探针排测量了喷管出口处和射流近场区的脉动压力分布，发现压力脉冲和射流形貌改变伴随发生，并得出在距离喷口端面2倍喷口直径附近处发生间歇性颈缩。这个“2倍喷口直径附近处”是对夹断发生位置的粗略估计。他们认为回击现象是“射流在喷口附近迅速膨胀，膨胀的气体到达一定程度后分离成两个部分，一部分气体继续流向下游，另一部分流向上游，后者撞击到端面后受到阻碍而被挤压”的过程。Aoki等在研究喷射冶金中喷嘴腐蚀问题时认为回击现象是由于气体射流断裂时在喷嘴出口处形成的气泡在液体静压差的作用下反向运动进而撞击喷嘴前沿表面所致。Koria在研究金属溶液中气体射流非浮力段的长度的工作中发现，在气体Mach数Ma<1时，通入金属溶液中的气体射流在离喷口很近位置就离散成细碎的气泡状；而当气体Mach数Ma>1时，射流非浮力段的长度增加，即在离喷口较远处气体射流才发生离散。该研究可以看作是对气体射流在液体中穿透深度的探究。
结 论
（1）水下气体射流有持续射流和集中夹断两种相间出现的阶段。
（3）如果将穿透深度定义为多次夹断之间射流穿透深度的平均值，则射流传统深度随着气体流量的增加而增加，预测穿透深度的经验关系式还有待进一步的研究。
1 实验装置
图1 实验系统
图2 环形喷管结构
图3 环形喷管实物
2 分析方法
图4 射流区段划分
表1 统计动量射流段夹断次数的参数
3 结果与讨论
3.1 环形喷管水下气体射流的两种阶段
图5 夹断现象发展过程
图6 射流发展的两种阶段
3.2 夹断的判断、位置和频率
图7 图像处理过程
图8 喷口下游2倍环缝外径处射流左右边界随时间的变化
图9 射流夹断判定
图10 判断是否发生夹断的射流左右边界之间的距离
图11 内径d=9.6mm的环形喷管射流夹断次数在射流下游的分布
图12 4种喷管动量射流段夹断次数随气体流量的变化
3.3 夹断原因及回击现象
图13 环缝内径为9.6mm、气体流量为150L?min-1时夹断前后的现象
3.4 射流穿透深度
图14 射流穿透深度
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