环形激波聚焦流场特性的间断有限元方法(英文)

针对环形激波聚焦时产生的高温、高压特性,采用间断有限元方法对环形激波在同轴圆柱形激波管内的聚焦流场进行了数值模拟。为了验证采用方法的有效性,首先对经典激波管问题进行了求解,计算结果与解析解吻合很好。其次,对入射激波马赫数为2.0到5.0的环形激波聚焦流场进行了计算,获得了环形激波在圆柱形激波管内聚焦过程的气动特性。模拟结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉激波聚焦过程形成的绕射、反射和聚焦等主要流动特征,而且在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力。最后比较了网格尺度对聚焦点峰值压力的影响。     

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-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.     

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。     

基于气体放电的高超声速激波结构显示技术

基于气体放电辐射强度与气体密度的相关性，在高超声速脉冲风洞FD-20中搭建了气体放电流场显示系统，并分别以平板模型、平板-方块模型和简化进气道模型为试验模型，在来流马赫数Ma=12.16、来流静压p≈106Pa的流场条件下开展气体放电流场显示技术研究。在平板实验中，气体放电方法较准确地观测到了电极之间的平板前缘激波结构，与纹影技术测得激波角相差仅为0.21°。在平板-方块实验中，气体放电方法观测到了2个截面（对称面和远离对称面截面）的激波结构，对称面波系结构与纹影和数值计算所得结果基本一致，远离对称面截面的波系结构与数值计算结果基本一致。在简化进气道实验中，气体放电方法观测到了内流道激波交叉形成的菱形结构，且尺寸与数值计算结果相差较小，约为7.9%。这些实验结果表明，在高超声速脉冲风洞中，采用气体放电方法可以获得清晰准确的激波结构，不仅可进行分截面激波结构观测，还可对被模型遮挡的内部区域激波结构进行显示，而且特别适合用于局部复杂流动波系结构的观测。     

扰动激波冲击界面不稳定性:反射激波效应

通过平面激波绕刚体圆柱的方法形成扰动激波，采用无膜技术形成N₂/SF₆均匀界面，在竖式激波管中开展了扰动激波冲击界面Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性实验研究。针对3种不同的无量纲距离η(圆柱到界面距离与圆柱直径之比)情形，利用高速纹影技术及平面Mie散射技术，获得了反射激波二次冲击作用下的界面演化图像。前期工作(邹立勇等，2017)显示，入射激波冲击后，界面发展为包括中心气腔和两侧台阶的"Λ"形结构。研究结果表明:反射激波二次冲击后，"Λ"形界面首先经历相位反转，然后扰动逐渐发展增强。在η=2.0情形，界面演化为气泡，而当η=3.3和4.0时，在整体的气泡结构之外，界面中心发展为尖钉结构。获得了反射激波作用后的混合区宽度，并与理论模型结果进行了比较。在界面演化线性阶段，Meyer-Blewett(MB)线性模型结果和实验结果吻合较好。在界面演化非线性阶段，Dimonte-Ramaprabhu (DR)模型结果和实验结果吻合较好。特别地，当η=4.0时，理论与实验结果差别最小。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量，需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管，发展辐射强度标定技术，针对富氮气环境，开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试，掌握辐射特征，为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构，数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型，得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度，计算结果和实验数据符合很好，验证了数值模拟方法。     

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。     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法，对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强，圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速，而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现，该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave），而非常规意义上的动力学波，其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后，反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下，伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下，由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境，自发反应波可再次赶超爆轰波，成为新的燃烧波前；而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时，它将再次转变为爆轰波；在此过程中，原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

激波管中获得低强度激波的方法

文中探讨了在相对高的驱动压比条件下获得低强度入射激波的变截面驱动方法(A4/A1<1)和等截面激波管中插入多孔板的方法.经实验比较等截面激波管获得的压力波形好,但过低驱动压比时膜片选择困难、实验重复性差.介绍的两种方法可以获得更低强度入射激波,但压力波形稍差,有进一步改善的空间.     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

气波制冷效率影响因素的实验研究

通过实验本文研究了气波制冷机工作管充气时间,分界面混合效应以及工作管内反射激波等因素对气波制冷效率的影响,并结合管内流动波图对实验结果进行了分析,提出了采用激波吸收腔缩短工作管长,消除反射激波,提高制冷效率的方法。     

用激波管驱动水喷雾

为了了解用激波管产生大流量水喷雾的流体力学原理,进行了实验研究。用可视化方法观察了管内两相流及所产生的喷雾的发展过程。用PVDF压力传感器测量了激波管内的压力波形。结果表明,水柱内的压力波明显地不同于空气中的压力波;水柱被经过加速后,其雾化形态发生了新的变化。     

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行,实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片。实验结果发现,运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。     

反射及绕射冲击波的生物效应研究

采用生物激波管内放置挡板,探讨弱冲击波的反射及绕射作用对生物效应的影响。结果表明反射激波超压明显增强,约为入射激波超压的3 倍,并可引起动物肺和胃肠道损伤;绕射激波的一次激波超压明显降低,约为入射激波的1/3 ,二次激波与距挡板的距离有关,当距离为挡板高度的1/4 和2 倍时,超压低于入射激波,距离为挡板高度的1/2 和1 倍时,超压稍高于入射激波,提示该处激波有叠加现象,实验动物均未见明显内脏器官损伤。本研究结果对冲击伤防护具有一定的意义     

地下结构模型试验的光学激波管

光学激波管是进行抗爆结构试验研究的一种新型动载设备,它除具有常规激波管的通过电测手段测试试验结构物上一点或多点的应力、应变、速度等力学参数外,其突出的特点是通过光测手段能够拍摄试验结构物在冲击波动压作用下连续变化的过程和被破坏形态的清晰物理图像,进行地下结构的抗爆研究。本文较详细地介绍了用于地下结构抗爆试验研究用的光学激波管设备的构造和测试手段以及设备调试和应用试验的情况,最后还公布了用该设备拍摄到的激波进入通道后波后新物理现象的彩色波动照片及用该设备做的部分试验研究成果。     

激波对血液成分影响的实验研究

用自行研制的无膜激波管，研究在一定强度激波的作用下，激波对血液成分的影响。分析了激波与血液作用时的波系结构，得到了作用在血液上的透射激波速度和透射波波后压力的表达式。共对24组新鲜血液进行了对照实验，实验后的医学化验表明：激波对血液有相当强的作用，其中尤为明显的是作用后的血液中游离血红蛋白明显增多、血小板数减少。结果还表明这些变化跟激波作用的次数有一定的关系。文中对造成血液破坏的机制也作了初步的分析。     

激波驱动液体轴对称抛撒的实验研究

设计了利用垂直激波管实现液体轴对称抛撒的实验装置，通过高速摄影技术获得不同驱动压力下气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的时间序列。实验结果表明，马赫数的增大导致初始扰动波的波长减小和扰动波数的增加，且尖钉发生破碎并与气流混合的程度更为剧烈。实验液体发生首次破碎的位置基本不随驱动压力的升高而改变。液体前锋的加速度曲线呈现出前期基本不变，后期迅速增大的趋势。     

Stiffened状态方程下γ-model方法跟踪二维多介质流动

在Stiffened状态方程下，运用Level—set方程跟踪界面运动变化，把界面捕捉的等效方程、Level-set函数和欧拉方程组耦合，求解包含比热比和材料参数的耦合形式的流体力学方程组。计算方法采用二阶精度Wave-propagation算法，通过对气体-液体两种流体的一维Riemann问题、激波和气泡相互作用以及气液两种流体Richtmyer—Meshkov界面不稳定性问题进行数值模拟，抑制了不同介质界面两侧的非物理振荡。