二维水下超音速气体射流的动力学研究

摘要

水下气体射流是气体在水中泄放后形成的一种复杂的气水两相体系，在工程技术中有着广泛的应用。研究水下气体射流的动力学特性，了解水下气体射流的相关现象和力学机制，无论在学术上还是实际应用中都有着重要的意义。
　　 本文通过建立一套操作方便、重复性好的实验系统，利用高速摄影仪研究了水下高速气体射流的动力学特性。实验用水槽采用二维尺度设计，可以更清晰地显示水下气体射流的流场形貌；超音速拉瓦尔喷管采用水平布置，高速摄影仪水平正对射流区。为了比较气体在不同出口速度时的射流形貌以及激波反馈现象与胀鼓现象的变化，实验采用两种不同设计出口马赫数的拉瓦尔喷管，分别对不同驻室压力、不同水深的气体射流进行了高速拍摄。实验显示了激波反馈现象与胀股现象的演化过程，并分析了激波反馈频率随气体出口速度变化的趋势。
　　 通过对实验结果的分析和比较，得到了一些有意义的研究结果：出口气体速度为亚音速时，射流呈现泡流形态；出口气体速度为超音速时，射流呈现射流形态。激波反馈可能是由于管口产生的激波发生反射或与边界层相互作用而产生的。分析发现，在过膨胀状态，驻室压力越高，激波反馈发生的频率越低，射流越稳定。同时发现，在激波反馈发生时，总是伴随着多次的膨胀-收缩-再膨胀，膨胀发生的次数越多，激波反馈的强度就越大。发现了一种间歇性产生的胀鼓现象，它的发生频率很高，强度却很小，可能是由于水下气体射流的不稳定性或激波的相互作用产生的。
　　 本论文丰富了水下高速气体射流的研究，并为今后进一步的研究工作打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 本论文的工作

第二章 实验装置

2.1 供气系统

2.2 二维水槽

2.3 喷管组件

2.4 高速摄影系统

第三章 实验参数与实验方法

3.1 基本概念

3.2 喷管出口状态的估算

3.3 水下气体射流的几种典型流动结构图景

3.4 实验参数

3.5 无因次量

3.5.1 雷诺数

3.5.2 韦伯数

3.5.3 弗劳德数

3.5.4 斯特劳哈尔数

3.6 实验方法

3.6.1 实验程序

3.6.2 调整镜头的方法

第四章 流场可视化研究

4.1 大喷管气体射流的流场演化过程

4.2 小喷管气体射流的流场演化过程

4.2.1 相同水深下不同驻室压力的流场演化过程

4.2.2 相同驻室压力下不同水深的流场演化过程

4.3 射流膨胀角

第五章 激波反馈与胀鼓现象研究

5.1 激波反馈现象的研究

5.1.1 激波反馈现象的演化过程

5.1.2 激波反馈频率的研究

5.2 胀鼓现象的研究

5.2.1 胀鼓现象的演化过程

5.2.2 胀鼓频率的研究

5.3 斯特劳哈尔数

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文