应力波天平在国内激波风洞上的应用

介绍了应力波天平的特点、原理,通过应力波天平设计、制作、校准、试验、数据处理等方面在中国空气动力研究与发展中心φ0.6m激波风洞上的应用情况,指出有必要在国内激波风洞上更进一步地开展应力波天平测力技术.     

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。     

激波在通道口部绕射反射研究

在地下工程研究和设计中,地面运动的高速空气冲击波进入通道后的波动问题是非常重要和急待解决的问题。为了弄清激波进入通道后的传播规律,我们利用新近研制的光学激波管和其他激波管设备,对侧向激波进入通道后的各种模型进行了系统试验研究,观察了激波进入通道后的波动图像,获得了一些很有价值的成果。本文介绍了试验方法和设备,描述了地面激波进入通道后在口部的绕射、反射波动图像和波后多旋涡运动规律,定量给出了通道口部绕射区压力变化曲线。     

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。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近边界层发生的相互作用,既不同于定常的激波边界层干扰,也与普通激波管中端壁反射激波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明,激波与边界层作用后,波面在壁面附近发生了明显弯曲,且触及壁面;弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射,由于波前气流速度不同,这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型;由于激波反射,波后壁面附近形成了一个高压区;激波与边界层作用后,波后边界层内出现了一系列高低压区相间的流场结构。     

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。     

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性,在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟,比较了试验和计算结果,选择了适用于本构型的模态判别准则,给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律,分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好,试验与计算具有较好的一致性;未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系,壁面压力波动较大,波系分布主要受流道结构影响;纯超燃模态时,燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波,压升起点固定在注油位之后,注油位波系对流场结构的影响较大,同时分离结构分布在整个凹槽内;双模态超燃时,流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构,燃烧室内波系较弱,此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离,凹槽内分离区域减小;双模态亚燃时,随着逆压梯度激波串的前移,隔离段内角区的分离面积不断扩大,凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时,随着激波串结构的形成与前移,部分燃烧可能在隔离段内完成;而对于纯超燃模态,燃烧仅发生在凹槽与扩张段内,化学反应与高温区的分布相对更集中。     

地基应力对土基剪切波速的影响建模

地基剪切波速与土基密实程度直接相关,广泛应用于场道地基压实质量评估。现有剪切波速测试模型主要考虑干密度、含水率等因素,忽略了土基应力对剪切波速的影响,导致利用剪切波速测定高深度及大应力状态土层力学性能时存在较大误差。本文设计了土基应力与剪切波速试验装置,开展了变应力条件下粘土和砂土两种土样的剪切波速试验,研究了土颗粒应力传播及应力损失条件下剪切波速变化特性,建立了基于应力扩散的地基土剪切波速与土中应力相关性模型,并对模型计算结果与现场实测数据进行对比分析,以验证模型的有效性。结果表明:土基剪切波速随应力的增大总体呈增大趋势;应力相等条件下,土体剪切波速随测试土层厚度的增大而下降,地基应力对土基剪切波速影响显著。     

由火焰聚心和激波聚焦诱导的爆震波研究

通过对几种不同结构形式的爆震发生器进行数值模拟,研究了激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理.数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程.数值计算表明用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程有利于激波的加强,强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同.通过对数值计算的结果进行分析,得到了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考.     

超声速喷流激波噪声基础问题数值模拟研究进展

超声速喷流问题是一个包含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题,其数值模拟方法及激波噪声产生机制是相关研究的长期热点和难点。本文简要回顾了超声速喷流激波噪声研究进展,重点介绍了针对激波噪声计算方法的非物理噪声消除技术和光滑因子设计准则,针对超声速喷流激波噪声研究设计的模型问题（包括旋涡–旋涡相互作用、激波–旋涡相互作用和激波–剪切层相互作用等）,以及轴对称和三维超声速喷流的研究进展。本文还介绍了作者最近针对超声速喷流开展的三维直接数值模拟、实验验证工作和初步分析结果（包括轴对称模态定位、束缚波演化和摆动模态发展等）。     

激波绕楔形物体的流场分析

使用数值计算方法和数值干涉技术并结合实验干涉图片,分析了激波过拐角绕楔形物体运动的流场.并采用数值彩色干涉技术,将数值计算结果转换为彩色条纹编码的数值干涉图,并与实验干涉图比较,可以辨识过激波发生跳跃后的干涉条纹的位移数,从而确定实验干涉照片的密度场.数值计算采用显式二阶迎风TVD格式.采用数值干涉技术将计算密度场转化成数值干涉图与实验干涉图进行了比较,检验了数值结果的可靠性.数值计算结果显示了包括激波、接触间断和旋涡在内的详细的流场结构,与实验相比,更为细致地刻画了流场演变过程的细节.通过数值计算结果观察到激波传播到旋涡中心附近并没有发生明显耗散,旋涡上半部的激波得到减速,下半部分的激波得到加速.     

瞬时爆轰TNT装药爆炸计算方法

对高精度TNT装药爆炸进行了理论计算,在使用二阶显式差分格式的基础上,详细地描述了使用样条函数进行激波装配、波形处理的全过程,收到了预期的效果     

多阵元液体压力激波发生器设计与声场数值模拟

设计了一种多阵元液体压力激波发生器，它由多个压电陶瓷换能器组成，每个换能器经激励产生脉冲超声波，通过球形几何聚焦后。在聚焦区域形成高能、瞬时压力激波。文中用阻抗分析仪和高频扫描激光测振系统对单元换能器进行了基本性能的测试，在此基础上。对单元换能器的声场、激波发生器的声场进行了数值模拟，其结果与声场实测数据基本吻合。该激波发生器具有聚焦效果好、能量可控及结构简单等优点，可用于复合材料打孔及金属表面强化等场合。     

弹性体表面覆盖层对冲击应力波的响应

本文研究了弹性体表面覆盖层对弹性体内部由于瞬态加载或者材料突然断裂等冲击因素所引起的应力波的动力响应问题。提出了一种对该类问题进行初步分析的简化模型,在此基础上建立了应力波场的分析方法,并借助于积分变换技术求得了问题的解析解。最后通过算例分析讨论了问题的两种特征参数对覆盖层位移响应及界面应力响应的影响规律。结果表明,本文所提出的模型及应大波场的分析方法对于初步研究覆盖层对冲击应力波响应问题的动态特征是有效的。     

管道系统激波运动的数值模拟

对激波在管道、活塞腔系统内运动的两种数值模型──一维非定常气体运动模型和二维轴对称气体运动模型，进行了数值模拟，其计算曲线（压力曲线、活塞速度、位移曲线）与相应的实验曲线符合较好，表明基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的激波运动计算方法能成功地处理含有激波且边界条件复杂的管道系统内气体运动问题，因而能较精确地预测管道系统内详细的压力变化过程，特别是预测激波在管道系统内的传播过程。     

阶跃热流冲击加热半无限体动态热应力分析

考虑超快速加热引起传热过程的非傅立叶效应，建立了第二类边界条件下的半无限体的动态热流场，热应力场方程组。用拉普拉斯变换法对方程组进行求解。结果表明，快速加速在半无限体内产生一个热波和两种热应力波。热波通过之时引起当地温度突然升高。应力波的波前通过之时该处应力突然增加；并对热波和弹性膨胀波波速比率对半无限体动态应力的影响作了研究分析。     

液体压力激波加工技术研究

机械产品的零部件，通常需要通过成形与改性才具有所需形状及实用功能，本文提出了一种新型材料成形与改性加工的方法——液体压力激波加工。采用脉冲超声波聚焦技术，通过压电陶瓷激波发生器在液体介质中产生高能瞬时压力激波，对材料进行冲击，产生变形或表面改性。经过理论研究和试验验证，初步掌握了液体压力激波的产生、激波能量的控制和激波加工的动力学机制。这种加工方法具有能量可控性好、成本低廉和安全高效等优点，非常适合具有复杂结构和型面的中小零件加工，是一种颇具竞争力的先进制造技术手段。     

激波对非晶态合金Fe_（78）B_（13）Si_9的作用

采用ＸＲＤ初步研究了经激波作用的非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９的晶化，结果表明，激波对非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９具有强烈影响。激波可以使非晶态合金Ｆｅ（７８）Ｂ（１３）Ｓｉ９转变为多品材料，结晶出新的晶化相。这些晶化相的ｘ－射线衍射峰不同于用传统退火工艺得到的晶化峰，且各自彼此也不同。激波可能是一种很好的研究非晶晶化的新技术。     

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。