改进虚拟流体方法在气-水界面捕捉中的应用

提出了一种改进的Ghost方法,通过求解双介质的Riemann问题,将全部解参量外推得到虚拟流体状态参量,使单一的气-水间断问题转化为两个单介质的Riemann问题。流场控制方程求解采用二阶NND格式,LevelSet方程用五阶WENO格式离散,实现了对气-水界面稳定而准确的捕捉。激波与气-水界面作用的一维和二维算例验证了程序的有效性。对气液两相均运用可压模型,计算了单个水滴被马赫数为2的空气激波扫过后的二维变形过程。     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中，相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究，采用线约束肥皂膜技术生成较为理想的空气/六氟化硫（air/SF₆）单模气体界面，借助高速纹影技术捕捉激波冲击界面后的详细不稳定性演化过程，重点关注反射距离对不稳定性发展的影响（反射距离定义为初始界面和激波管尾端固壁的距离）。研究发现，在一定反射距离范围内，反射激波作用后的扰动增长率几乎为一个恒定值，与反射距离无关（即与反射激波作用前的扰动振幅及增长率无关），随着反射距离的进一步增大，扰动增长率降低。通过实验测量值与理论预测值的对比，发现Mikaelian模型和Charakhch’an模型（采用合适的经验系数）均能对反射激波作用界面后的扰动增长率给予有效预测，且这两种模型的经验系数都依赖于反射激波作用前的界面演化状态，如果反射距离的改变引起/（不引起）界面演化状态的变化，则需要/（不需要）改变经验系数的值。     

可控肥皂膜气柱界面与激波相互作用的实验研究

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也比文献的结果更对称。此外,还特别研究了由极小曲面特征导致的三维效应,发现三维效应使界面的演变和发展变慢了。本研究将有助于更多了解三维性对Richtmyer-Meshkov不稳定性发展的影响。     

气液两相分层流剪切应力的不确定度分析

基于水平气液两相分层流的压力梯度、波状液层和气壁剪切应力实验数据,对两流体剪切应力进行不确定度计算,分析各不确定度分量对液壁和气液界面剪切应力结果的影响。由剪切应力可以直接计算分层流动量平衡方程的本构参数,对本构参数的关联作了合理的解释。气液界面剪切应力受液层高度和压力梯度的准确性影响较大,而液壁剪切应力却相反,和气液界面剪切应力最大程度相关。通过和实验数据对比发现,液壁摩擦因子无法像气壁摩擦因子那样可以用单相管流的指数型关系式来描述,而是应该结合气液界面摩擦因子建立一个基于两相各流体特征参数的有效关联式。     

激波与固体颗粒群相互作用实验研究

为了研究FAE武器、温压武器中燃料抛撒问题,在垂直激波管里进行了气-固两相流的实验研究。主要研究激波（Ma=1．96）与3种不同堆密度的石英砂颗粒群相互作用,用高速摄影仪对颗粒在抛撒过程进行图像捕捉,得到颗粒在抛撒阶段的速度。研究颗粒群在超声速气流下的运动规律以及激波对颗粒群加速的影响规律,分析激波通过颗粒群时气-固两相流中的动力学过程。定量分析颗粒堆密度对激波的影响,得出了固体颗粒群受到激波作用后抛撒过程中纵向和横向颗粒云团体积增加,颗粒云团平均浓度减少;颗粒群的堆密度与颗粒粒径、抛撒初速度、反射激波的强度都成反相关关系。     

一种用于RM不稳定性研究的竖直环形激波管的设计与验证

设计并加工了一套竖直环形同轴无膜激波管,可用于环形汇聚激波诱导下的Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究。与前人工作相比,本文在流体界面的形成以及流场的观测方法上做了较大的改进。通过实验和数值方法,对该竖直激波管产生的环形柱状汇聚激波的参数进行测量和分析,验证了同轴激波管形成柱状汇聚激波方法的可行性和可靠性。在界面形成方面,采用细丝约束肥皂膜技术形成正八边形气体界面,并利用数值方法考察了细丝对界面发展的影响。结果表明在界面发展的前期,细丝的影响几乎可以忽略。利用连续激光片光结合高速摄影相机对流场进行观测,获得了正八边形air/SF6气体界面在环形汇聚激波及其反射激波冲击下的演化过程,并与数值结果进行了对比,获得了较好的一致性,进一步验证了汇聚激波的对称性以及细丝约束肥皂膜技术用于形成多边形气体界面的可靠性。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM）,获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。     

SPH方法对气液两相流自由界面运动的追踪模拟

气液两相流动是自然界中常见的流动现象,对其进行数值模拟时要求必须能够准确跟踪界面运动变形。本文利用光滑粒子流体动力学方法,结合微可压缩模型(SCM),引入界面控制方法XSPH速度修正以及Van Derwaals状态方程修正,对典型的气液两相流动如二维溃坝、气泡上浮等问题进行了数值模拟,分析了空气和水相互作用机理以及界面运动规律,并同实验结果和其他数值计算结果进行了比较。结果表明,该方法在模拟多相介质界面运动问题准确有效,可用于处理更为复杂的多相流动工程问题。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰,平板边界层上形成分离区,又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游,引入小扰动的TS波后,扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时,扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析,研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现,激波的出现不同于一般的压缩波,在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的,此外,分离对扰动有稳定作用。     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

Shock Wave Interaction with the Magnetopause

The magnetopause is in continuous motion and shock waves and impulsive acceleration events can occur. As an example, we show that the interaction of an interplanetary shock with the bow shock can generate a shock wave that after passing through the magnetosheath can interact with the magnetopause. In fluid dynamics, when a shock wave encounters a fluid discontinuity, the interface may become unstable and form bubbles and spikes. We consider this Richtmyer-Meshkov instability in magnetohydrodynamics. At the dayside magnetopause, the instability tends to be stabilized by the magnetic field. However, the shock wave interaction can initiate magnetic field reconnection for the southward IMF, which may be important in strong interplanetary shock events. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

激波与氦气泡相互作用的实验与数值研究

提出了一种在激波管中实现运动激波与球形气一气界面相互作用的研究方案。以肥皂膜作为气体交界面,高压火花为光源,采用阴影法,在马赫数M=1．2的情况下,在矩形激波管中开展了一系列的实验研究,获得了激波作用下球形氦气泡界面发展变化的相关实验结果。还通过求解二维轴对称的Euler方程,结合网格自适应策略,对实验过程进行了数值模拟。通过与实验结果的对比分析,证实了涡量的产生和分布对于界面的变形和发展有着重要意义。     

粉尘气体中平面激波在固壁反射的高分辨率数值模拟

本文在稀颗粒群双流体简化模型下，采用算子分裂技术，综合应用高分辨率ＧＲＰ格式，全二阶精度的ＦＣＴ格式及预估校正格式，取三种不同粒相固壁边界条件，数值模拟了粉尘气体激波在刚性固壁上的正反射，确证了由理想平衡混合气体分析所预示的三类激波反射结构，给出了非平衡反射时波后流场的松弛特性，并评价了不同的粒相固壁边界条件假定的适用性。     

Numerical investigation on flow nonuniformity-induced hysteresis in scramjet isolator

Numerical simulation and theoretical analysis were conducted to study the hysteresis inside scramjet isolator during the reciprocating process of back pressure variation. It is revealed that only a regular reflection is theoretically possible for two leading shocks when the inflow Mach number is greater than 2.0, and no hysteresis can occur in the transition between shock reflection types. Nevertheless, wall suction, gas injection, and background waves cause non-uniformity of the incoming flow and would make hysteresis possible. Besides the classical hysteresis in the transition between shock reflection, new kinds of hysteresis were found in both the deflection angle of separated boundary layer and the location of the shock train. Moreover, the occurrence of hysteresis in the deflection angle of the separated boundary layer is accompanied with the shock reflection hysteresis. In the case with background waves or gas injection, hysteresis in the starting position of leading shock was observed too. As back pressure decreases, the leading shock does not follow the same path as that as the back pressure increases, and it is anchored at the location where the background shock or the injection interacts with the leading shock. It is inferred that, if two strong adverse pressure gradient regions move towards and interact with each other, hysteresis will take place when they start to separate.