基于动态自适应网格加密的淹没超声速气体射流流动不稳定性及激波结构研究

《International Journal of Multiphase Flow》：Investigation on flow instability and shock wave structures of submerged supersonic gas jet based on dynamic adaptive mesh refinement

　　

• 采用动态自适应网格加密(AMR)方法捕捉淹没超声速气体射流的气液界面K-H不稳定性。• 研究了不同喷嘴膨胀比(NER)和背压条件下的欠膨胀和过膨胀气体射流。• 揭示了具有持续振荡和间歇性不规则断裂的气体射流。• 分辨了空腔上正涡列和喷嘴出口附近负涡的K-H不稳定性。• 识别了激波结构类型：准稳态激波、复杂胞状激波系统和激波回撤。引言水下火箭发动机点火是水下运载器发射和航行的重要应用。火箭发动机喷嘴排出高温高压气体，在水中形成超声速气体射流。气体射流受到弱可压缩水介质的约束，在受限空间内形成复杂的双相流。水下超声速气体射流涉及多相流场、强可压缩性、激波结构、湍流效应、相变、流动分离和流动不稳定性等流体力学前沿问题。水下气体射流问题广泛应用于国防工业、石油化工、航空航天等领域，如水下运载器喷射推进、切割与焊接、海上天然气开采、水下运载器发射等。Chang和Russell（1967）首次研究了亚声速/超声速气体射流对液层的影响，发现Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性是由压力扰动引起的。Mori等人（1982）首次以喷嘴出口速度作为定量指标，将射流模式分为亚声速条件下的气泡流和超声速条件下的动量射流。Dai等人（2006）通过实验和理论分析获得了高度欠膨胀气体射流的流场。Weiland和Vlachos（2013）以及Harby等人（2017）分别研究了超声速气体射流垂直和水平进入静止水介质的过程，提供了不同射流模式的图像。Shi等人（2010）讨论了水下超声速气体射流的振荡流及其由激波引起的高压。Li等人（2017）数值研究了水平射入水中的气体射流流动结构，用于水下推进。近五年来，该领域涌现出更多相关研究。Moon等人（2019）和Huang等人（2022）也研究了静止水中超声速气体射流的一些主要特征，但仅描绘了射流轮廓，未展示详细内部结构。Zhang等人（2020）研究了过膨胀超声速气体射流的流动结构，实验中清晰捕捉到了激波，但数值结果过于粗糙，无法揭示流动结构。Jana和Sucheendran（2021）数值可视化了水下超声速空气射流，重点关注压力振荡，但射流界面和内部结构未得到清晰分辨。Liu等人（2022）采用数值模拟研究了垂直超声速气体射流的射流噪声特性，其中讨论非常简略，流动信息有限。Emelyanov等人（2024）数值模拟了常温超声速过膨胀压缩空气射流排入水中的过程，讨论了非定常射流形成、中等马赫数（Ma～1）的激波结构和压力波动水平。Si等人（2025）探索了用于水下推进的斜切喷嘴形成的超声速气体射流的流动动力学。研究发现射流倾向于稳定的锥形结构，压力和推力均逐渐趋近恒定值。流动水中淹没射流的结构比静止水中更为复杂。Balzan等人（2019）使用阴影摄影技术研究了水流速度对水下气体射流气泡形成频率的影响。Xiang等人（2021）研究了流动水环境中由常温压缩气体形成的淹没气体射流。通过将射流从亚声速状态变化到声速状态，观察并讨论了三种流态：透明空腔模式、空腔-喷射模式和周期性喷射模式。Dong等人（2021）建立了一个模型来分析气体射流注入垂直交叉流时产生的流动结构。常温射流具有中等马赫数（Ma<2），在交叉流作用下容易变形。他们识别了若干不同结构，包括涡环形成、剪切层、回流区以及射流偏转和穿透。Dong等人（2022）继续探索该中等超声速气体射流与液体交叉流的相互作用，主要讨论交叉流作用下整体形态偏转以及穿透深度可能减小和喷雾模式改变。Yang等人（2022）进行了气体射流与周围液体在共流条件下的相互作用实验，研究了以Ma=2从喷嘴排出的压缩气体，考虑了弗劳德数和射流压力比对流动结构的影响。Lian等人（2024）也研究了共流条件下的射流演化，分析了不同喷嘴压力比（NPR）和面积比下的多相流结构、背压和喷嘴推力。实验描述了射流的膨胀、颈缩和断裂及其与压力变化的相关性，但对流动不稳定性和激波结构的讨论相对有限。Xu等人（2026）研究了共流条件下喷嘴偏转角对高速气体射流的影响。该工作侧重于实验图像分析和气水界面分布的概率密度函数（PDF）。结论表明偏转显著改变了射流形态并放大了界面不稳定性。当超声速射流从水下运载器尾部排出时，射流与运载器的空化流动之间存在耦合效应。Paryshev等人（2006）基于Logvinovich的空腔截面膨胀独立性原理，建立了不可压缩射流与空化耦合效应下空腔封闭的数学模型。Kinzel等人（2017）深入分析了射流与通气空腔之间的耦合行为。他们指出高速气体射流改变了空腔封闭方式，使通气空腔更长且不稳定。Yang等人（2023）研究了由水下运载器尾部排出的气体射流形成的附着尾部空腔，并比较了弗劳德数和通风系数的影响。尽管喷嘴出口处射流为超声速（Ma=2），但重点主要在宏观空腔形态和压力波动。Xu等人（2024）数值研究了通气超空化运载器尾部的地下气体射流对超空腔流动特性的影响，其中气体射流仅由尾部出口的体积流量边界条件产生，不涉及复杂流动结构和超声速流动特征。Yan等人（2026）采用本征正交分解（POD）和熵量化方法研究了三种典型超空化-射流耦合的稳态特征和瞬态转变机制。尽管迄今淹没射流已得到广泛研究，但之前的研究存在以下局限性：（1）大多数工作聚焦于由压缩气体形成的冷射流，因此射流速度明显低于高温气体射流的速度（通常Ma<2）；（2）气液界面K-H不稳定性中涡结构的形成机制尚未得到充分研究，K-H不稳定性与激波结构之间的关系缺乏良好分析；（3）各种欠膨胀和过膨胀条件下的高频激波扰动行为和胞状激波结构仍不清楚；（4）过膨胀喷嘴中发生的流动分离尚未得到充分讨论，分离后进入回流区的周围水体可能产生更复杂的双相相互作用。本工作采用基于相梯度的动态自适应网格加密（AMR）方法高分辨率捕捉淹没气体射流的瞬态气液界面，从而系统研究了不同喷嘴膨胀比（NER）和喷嘴压力比（NPR）的欠膨胀和过膨胀超声速气体射流，重点关注气液界面的K-H不稳定性以及激波系统的复杂结构。章节摘要通用控制方程淹没超声速气体射流流动由可压缩流体的Navier-Stokes方程组控制，该流动被视为由气体、蒸汽和液体相组成的混合物，即常规均相混合物多相流模型。在该模型中，密度、速度、温度等强度性质物理量被混合物中所有相共享，且不考虑相间滑移。该模型并非……数值离散方案在本研究的数值模拟中，采用基于压力的分离隐式求解器，并使用有限体积法（FVM）对数学方程进行数值离散。对于超声速气体射流的计算，气相的高可压缩性和激波捕捉要求对算法收敛性提出了较高要求。本工作采用压力-速度耦合算法，其优势在于收敛速度更快。实验装置实验在中国舰船科学研究中心的封闭水平加压水容器中进行（Zhang, 2023）。如图2所示，实验系统由水容器、加压设备、带拉瓦尔喷嘴的火箭发动机模型、高速摄像机和一套数据测量系统组成。发动机模型水平放置进行静态点火实验。水容器长度为8.5米，内径为……气体射流形态与演化对NER从3.4到14的喷嘴在不同背压条件下进行了气体流动模拟。NER为3.4、背压pb=0.2 MPa的实验图像序列如图8所示。推进剂燃烧产生的光极为强烈，因此适当调整了图像亮度以显示可识别的气体空腔轮廓。数值模拟的气体空腔演化与实验结果进行了比较，如图9所示，展示了体积分数……结论本工作采用基于相梯度的动态AMR方法高分辨率捕捉淹没气体射流的瞬态气液界面，从而研究了系列不同NER和背压的欠膨胀和过膨胀气体射流，特别关注气液界面的K-H不稳定性以及激波系统的复杂结构。相关有趣现象的研究结论总结如下：（1）气体……CRediT作者贡献声明Ying Chen：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，方法论，调查，资金获取，概念化。Le Shen：软件，形式分析，数据管理。Zhaoxin Gong：可视化，验证。Jie Li：资源。Ying Chen|Le Shen|Zhaoxin Gong|Jie Li