Page 165 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 陈安然，等： 高速破片撞击燃油箱导致的燃油喷溅特性 第 6 期

空 腔 导 管 断 开 这 2 个 现 象 被 认 为 是 主 喷 溅 阶 段 的 重 要 促 成 因 素 ， 液 体 喷 溅 与 空 腔 之 间 的 对 应 关 系
如图 2 所示。

(a) Pre-spurt (b) Main-spurt-formation of
the cavity catheter

(c) Low-frequency pulsation-cavity collapse
图 2 瞬态液体喷溅与空腔变化的对应关系 [8]
Fig. 2 The corresponding relationship between liquid spurt and cavity evolution [8]

在数值模拟方面：美国莱特-帕特森空军基地建立了 4 种有限元模型，以模拟 12.7 mm 穿甲弹侵彻充
[9]
液容器及产生液体喷溅的过程 ；Yang 等 [2, 10] 利用包含空化模块、结构动力学模块和气液界面追踪模块
的计算流体力学软件 CFD-ACE+，建立了液压水锤效应的多相多物理场二维轴对称模型和三维模型，较
[6]
好地重现了 Disimile 等 的试验结果；赵一霖等 [11] 利用 Fluent 软件计算得到喷流热环境和喷溅液体间的
相互作用；安国琛等 [12] 对液体燃油雾化燃烧及流固耦合过程进行了数值模拟分析。
Keller 等 [13] 将液体压缩性的影响应用于空腔动力学研究中，并研究了空腔溃灭期间产生压力波的
传播。Chen 等 [14-16] 对空腔溃灭压力与液体喷溅的关系进行了研究，探讨了溃灭压力的分布以及影响溃
灭压力和喷溅特性的因素，通过试验得到了影响液体喷溅速度的侵彻孔口流量系数。Strutt [17] 对射流破
碎机理进行了分析，采用小扰动方法分析了低速射流破碎所需要的条件。Salvador 等 [18] 采用低雷诺数条
件下的直接数值模拟方法研究了湍流强度和长度尺度对液体喷雾形成的影响。文献 [19] 指出，随着环
境压力的增大，喷雾角度增大，其头部的侵彻距离和速度下降。
上述机理分析离不开试验的支持，由于喷溅液体雾化过程复杂，迄今为止，几乎所有的理论研究结
果都是经验和半经验的。喷溅液体的驱动压力产生于空腔内部不可冷凝的气体与液体蒸汽的体积变
化，故空腔振荡与液体喷溅密不可分。液体多次喷溅的驱动力来源于容器内部的压力变化，故液体内压
力分布与液体喷溅也息息相关。Franc [20] 对 Rayleigh-Plesset 方程进行了分析，并给出了 2 种无量纲化方
法以检验空化特性，还对空腔生长与收缩（振荡）过程进行了理论分析，给出了压力在流体中的分布规
律，如图 3 所示，其中，p 为无量纲压力，R 为初始空腔半径，R 为空腔半径，τ 为径向距离。
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综上，关于高速破片撞击燃油箱产生的液压水锤效应已有较成熟的试验和数值模拟研究，空腔动力
学演化和压力分布的相关理论研究也已初步成型，但对水锤效应导致液体喷溅的试验研究相对较少，描
述喷溅时空分布的理论模型有待进一步建立。本文进行高速破片撞击燃油箱的试验研究，对喷溅燃油
的速度特性和空间分布特性进行分析，建立表征喷溅燃油的时空分布特性理论模型，并与试验进行对
比，以修正所建立的理论模型。由于燃油箱外部干舱的燃烧或爆炸是燃油系统的主要毁伤模式之一，研
究高速破片撞击燃油箱产生液压水锤效应引起的燃油喷溅，对干舱火灾的预测和相关设备的设计与防
护至关重要，对进一步了解液压水锤效应这一现象也有重要意义。

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