Flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet

Chun ZHANG; Wei YU; Baoshou WANG

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210370

Chinese

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet

Rocket Engine | 更新时间：2025-03-14

- Flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet
- Journal of Aerospace Power Vol. 37, Issue 8, Pages: 1633-1642(2022)
- 作者机构：
  
  中国船舶科学研究中心水动力学重点实验室，江苏无锡 214082
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20210370
  CLC：
- 稿件说明：
移动端阅览
Chun ZHANG, Wei YU, Baoshou WANG. Flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1633-1642.
DOI：

Chun ZHANG, Wei YU, Baoshou WANG. Flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1633-1642. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20210370.

摘要

为研究水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性，在压力水筒中开展了大扩张比锥形喷管的固体火箭发动机水下点火实验，并基于雷诺时均Navier⁃Stokes（RANS）方法和流体体积（VOF）模型进行数值求解，分析了过膨胀燃气射流与水介质的相互作用过程。研究表明：超声速过膨胀燃气建立射流通道后，射流核心区长度随喷管落压比的减少而减少；射流核心区剧烈振荡，表现为高频的膨胀和收缩，振荡频率随喷管落压比的减小而增加，范围为100~200 Hz；射流边界不断振荡，并伴随波系结构变化，当过膨胀程度较大时，激波进入喷管使其发生流动分离现象，流动分离点周期性往复移动；分离区内压力脉动没有显著的特征频率，主要集中在100~600 Hz的宽频带，锥形喷管水下流动分离的简易判据为喷管出口压力不低于环境背压的0.44倍。

Abstract

To investigate the flow field characteristics of underwater supersonic over⁃expanded gas jet，ignition experiment of solid rocket motors using conical nozzles with a large expansion ratio was conducted in the pressure tank.Combined with numerically simulated results obtained by Reynolds⁃averaged Navier⁃Stokes （RANS） and volume of fluid （VOF） model，the interactions between over⁃expanded gas jet and water were analyzed.The results showed that，the over⁃expanded gas jet formed a jet channel in the near depression area of the nozzle，and the length of the core area of the jet decreased with the decrease of drop pressure ratio.Dramatic periodic oscillation changes occurred in the core area of the jet，which was specifically manifested as the high⁃frequency expansion and contraction process.The oscillation frequency increased with the decrease of drop pressure ratio，within a range of 100-200 Hz.The boundary of the jet may constantly oscillate，accompanied by the synchronous change of the shock wave structure.When the degree of overexpansion was larger，the shock wave entered the nozzle to cause the flow separation phenomenon，and the flow separation point moved periodically and reciprocally.The pressure pulsation in the separation area presented the characteristic of high oscillation，but it had no significant characteristic frequency，which was mainly concentrated in the broadband of 100-600 Hz.The simple criterion for underwater flow separation of conical nozzle is that the pressure at the nozzle exit is not less than 0.44 times of the back pressure.

关键词

Keywords

references

张有为 . 固体火箭发动机水下工作特性的研究 [D]. 合肥 : 中国科学技术大学， 2007 .

ZHANG Youwei . Research on working characteristics of solid rocket engine in water [D]. Hefei : University of Science and Technology of China ， 2007 . （in Chinese）

鲁传敬，陈方，樊泓，等 . 导弹水下点火的流体动力研究 [J]. 航空学报， 1992 ， 13 （ 4 ）: 124 ⁃ 130 .

LU Chuanjing ， CHEN Fang ， FAN Hong ， et al . The fluid dynamic research on the underwater ignition of missile [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 1992 ， 13 （ 4 ）: 124 ⁃ 130 . （in Chinese）

黄楠，陈志华，王争论 . 水下超声速气体射流线性稳定性研究 [J]. 推进技术， 2021 ， 42 （ 3 ）: 550 ⁃ 559 .

HUANG Nan ， CHEN Zhihua ， WANG Zhenglun . Linear stability of underwater supersonic gas jet [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2021 ， 42 （ 3 ）: 550 ⁃ 559 . （in Chinese）

王宝寿，许晟，易淑群，等 . 水下推力矢量特性试验研究 [J]. 船舶力学， 2000 ， 4 （ 5 ）: 9 ⁃ 15 .

WANG Baoshou ， XU Sheng ， YI Shuqun ， et al . Test studies of underwater thrust vector control performance [J]. Journal of Ship Mechanics ， 2000 ， 4 （ 5 ）: 9 ⁃ 15 . （in Chinese）

汤龙生，刘宇，吴智锋，等 . 水下超声速燃气射流气泡的生长及压力波传播特性实验研究 [J]. 推进技术， 2011 ， 32 （ 3 ）: 417 ⁃ 420 .

TANG Longsheng ， LIU Yu ， WU Zhifeng ， et al . Experimental study on characteristics of bubble growth and pressure wave propagation by supersonic gas jets underwater [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2011 ， 32 （ 3 ）: 417 ⁃ 420 . （in Chinese）

贾有军，张胜敏，尤俊峰，等 . 固体发动机水下点火尾流变化过程试验研究 [J]. 固体火箭技术， 2015 ， 38 （ 5 ）: 660 ⁃ 678 .

JIA Youjun ， ZHANG Shengmin ， YOU Junfeng ， et al . Experimental research on the changing process of underwater ignition wake of solid rocket motor [J]. Journal of Solid Rocket Technology ， 2015 ， 38 （ 5 ）: 660 ⁃ 678 . （in Chinese）

施红辉，王柏懿，戴振卿 . 水下超声速气体射流的力学机制研究 [J]. 中国科学：物理力学天文学， 2010 ， 53 （ 3 ）: 527 ⁃ 535 .

SHI Honghui ， WANG Boyi ， DAI Zhenqing . Research on the mechanics of underwater supersonic gas jets [J]. Scientia Sinica：Physica,Mechanica and Astronomica ， 2010 ， 53 （ 3 ）: 527 ⁃ 535 . （in Chinese）

许昊，王聪，陆宏志，等 . 水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究 [J]. 物理学报， 2018 ， 67 （ 1 ）: 198 ⁃ 210 .

XU Hao ， WANG Cong ， LU Hongzhi ， et al . Experimental study on submerged supersonic gaseous jet induced tail cavity [J]. Acta Physica Sinica ， 2018 ， 67 （ 1 ）: 198 ⁃ 210 . （in Chinese）

TANG Jianing ， TSENG Chienchou ， WANG Ningfei . Flow structures of gaseous jets injected into water for underwater propulsion [R].AIAA 2011 ⁃185 ， 2011 .

朱卫兵，陈宏，黄舜 . 水下高速射流气泡变化过程数值研究 [J]. 推进技术， 2010 ， 31 （ 4 ）: 496 ⁃ 502 .

ZHU Weibing ， CHEN Hong ， HUANG Shun . Numerical study of the process of the evolution of bubble of high⁃speed jet underwater [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2010 ， 31 （ 4 ）: 496 ⁃ 502 . （in Chinese）

张春，郁伟，王宝寿 . 水下超声速燃气射流的初期流场特性研究 [J]. 兵工学报， 2018 ， 39 （ 5 ）: 961 ⁃ 968 .

ZHANG Chun ， YU Wei ， WANG Baoshou . Research on the initial flow field characteristics of underwater supersonic gas jets [J]. Acta Armamentarii ， 2018 ， 39 （ 5 ）: 961 ⁃ 968 . （in Chinese）

王利利，刘影，李达钦，等 . 固体火箭发动机水下超音速射流数值研究 [J]. 兵工学报， 2019 ， 40 （ 6 ）: 1161 ⁃ 1170 .

WANG Lili ， LIU Ying ， LI Daqin ， et al . Numerical study of underwater supersonic gas jets for solid rocket engine [J]. Acta Armamentarii ， 2019 ， 40 （ 6 ）: 1161 ⁃ 1170 . （in Chinese）

张小圆，李世鹏，杨保雨，等 . 潜航飞行体深水超音速气体射流的流动稳定性研究 [J]. 兵工学报， 2019 ， 40 （ 12 ）: 2385 ⁃ 2398 .

ZHANG Xiaoyuan ， LI Shipeng ， YANG Baoyu ， et al . Analysis of the flow instability of supersonic gaseous jets for submarine vehicles working in deep water [J]. Acta Armamentarii ， 2019 ， 40 （ 12 ）: 2385 ⁃ 2398 . （in Chinese）

张小圆，李世鹏，杨保雨，等 . 水下固体火箭发动机垂直气体射流结构和推力影响研究 [J]. 推进技术， 2021 ， 42 （ 5 ）: 961 ‑ 969 .

ZHANG Xiaoyuan ， LI Shipeng ， YANG Baoyu ， et al . Flow structures of vertical gaseous jets and effects of thrust of underwater solid rockect motor [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2021 ， 42 （ 5 ）: 961 ⁃ 969 . （in Chinese）

侯子伟，翁春生，贾芳，等 . 水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究 [J]. 推进技术， 2021 ， 42 （ 4 ）: 755 ⁃ 764 .

HOU Ziwei ， WENG Chunsheng ， JIA Fang ， et al . Gas bubble shape and shock wave propagation process of underwater detonation [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2021 ， 42 （ 4 ）: 755 ⁃ 764 . （in Chinese）

PAPAMOSCHOU D ， JOHNSON A . Unsteady phenomena in supersonic nozzle flow separation [R].AIAA 2006 ⁃3360 , 2006 .

JOHNSON A ， PAPAMOSCHOU D . Shock motion and flow instabilities in supersonic nozzle flow separation [R].AIAA 2008 ⁃3846 , 2008 .

OLSON J B ， LELE S K . Low⁃frequency unsteadiness in nozzle flow separation [R].AIAA 2012 ⁃2974 , 2012 .

何成军，李建强，范召林 . 单边膨胀喷管内流动分离非定常特性 [J]. 航空动力学报， 2019 ， 34 （ 11 ）: 2339 ⁃ 2346 .

HE Chengjun ， LI Jianqiang ， FAN Zhaolin . Flow separation unsteadiness in single expansion ramp nozzle [J]. Journal of Aerospace Power ， 2019 ， 34 （ 11 ）: 2339 ⁃ 2346 . （in Chinese）

潘哲，王宝寿，宋志平 . 火箭发动机水下分离特性试验研究 [J]. 船舶力学， 2004 ， 8 （ 4 ）: 22 ⁃ 26 .

PAN Zhe ， WANG Baoshou ， SONG Zhiping . Research on underwater rocket separation performance [J]. Journal of Ship Mechanics ， 2004 ， 8 （ 4 ）: 22 ⁃ 26 . （in Chinese）

何淼生，覃粒子，刘宇 . 环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性 [J]. 推进技术， 2015 ， 36 （ 11 ）: 37 ⁃ 46 .

HE Miaosheng ， QIN Lizi ， LIU Yu . Numerical investigation of flow separation in an annular conical aerospike nozzle for underwater propulsion [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2015 ， 36 （ 11 ）: 37 ⁃ 46 . （in Chinese）

权晓波，王占莹，刘元清，等 . 水环境下喷管流动分离数值研究 [J]. 固体火箭技术， 2020 ， 43 （ 1 ）: 8 ⁃ 15 .

QUAN Xiaobo ， WANG Zhanying ， LIU Yuanqing ， et al . Numerical simulation research on the flow separation of solid rocket motor in water environment [J]. Journal of Solid Rocket Technology ， 2020 ， 43 （ 1 ）: 8 ⁃ 15 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Pre-cooling characteristics of high temperature inlet air for turbine power combined with ramjet

Drag reduction performance of hemispherical body with porous opposing jets

Theory and experiment on the leakage characteristics of brush seals based on fluid-structure interaction

Circumferential seal characteristics with thermal-fluid-structure multi-physics field coupling

Numerical study on flow field characteristics of RQL combustor under different quenching structures

Related Author

LIN Aqiang

ZHENG Qun

XIA Quanzhong

ZHANG Hai

LIU Gaowen

FAN Weijie

ZHOU Jin

LI Shibin

Related Institution

Science and Technology on Altitude Simulation Laboratory,Sichuan Gas Turbine Establishment,Aero Engine Corporation of China

College of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University

Shanxi Key Laboratory of Thermal Science in Aero-engine System,Northwestern Polytechnical University

School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University

沈阳鼓风机集团股份有限公司辽宁重大装备制造协同创新中心

AI问答

Postal code：100079
Tel：（010）53879206 Email：tmw@bjxintong.com.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 京ICP备09082226号-64 京公网安备11010602201714号
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰