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。     

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。     

激波冲击锯齿形界面的气泡竞争实验研究

通过实验在激波管中研究了平面激波冲击锯齿形界面的流动不稳定性演化过程,重点关注锯齿形界面初始顶角角度对气泡竞争的影响。利用肥皂膜技术生成初始气体界面,并采用高速摄影结合纹影方法对波后流场进行观测。结果表明:在界面发展早期,大、小界面几乎独立发展,说明气泡竞争在早期不起作用;随着时间发展,气泡竞争起作用,且随着锯齿形界面角度改变而变化,角度越小,界面上产生的斜压涡量越大,界面发展越快,气泡竞争越早出现且作用越显著。气泡竞争能够促进大气泡、抑制小气泡的振幅增长,且对小气泡的影响更大。气泡竞争同时会导致尖钉结构扭曲,进而改变界面总体振幅。气泡头部位移差在进入非线性增长之前会经历两个线性阶段,且第二个线性增长率较小,表明非线性效应在该阶段具有重要作用,大气泡受到非线性效应的影响更大。不同条件下的气泡位移差无法归一化,说明初始顶角角度对气泡竞争和界面演化具有重要影响。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

斜向环形激波聚焦诱导直接起爆的大涡模拟

基于大涡模拟(LES)数值方法,利用基元反应模型对斜向环形激波聚焦诱爆氢气-空气可燃混合气直接起爆进行了详细的数值模拟.研究结果表明:在进气马赫数为2.5的条件下,斜向环形激波聚焦产生的高能区可以在可燃气体中实现直接起爆形成爆震波,并且燃料能够高效完全反应;而垂直环形激波则没能诱导出爆震燃烧过程.可见,斜向环形入射比垂直环形入射更加有利于燃料混合气聚焦诱导起爆成爆震燃烧.      

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。     

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.      

暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦的机理研究

利用暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦实验装置,在环形喷口宽度为9.4mm,喷口前后压比分别为6.1和17.9的条件下进行了环形射流聚心碰撞诱导非定常激波聚焦的实验研究,并以数值计算为补充,对流场的演化过程进行了详细的分析。结果表明,环形射流启动时形成的前导激波聚心碰撞是产生非定常激波的主要原因。在环形喷口宽度d=9.4mm,压比π=6.1的条件下,激波聚焦的峰值压力可达2.16MPa,为凹面腔内部初始压力的21.8倍。激波在凹面腔内聚焦后形成回传激波,凹面腔底部的气流经入射激波与回传激波两次压缩后,压力大大提升,向环形喷口回流,使下一循环中环形射流的欠膨胀度降低,前导激波强度也相应减弱,随之产生的非定常激波和激波聚焦强度也有所降低。此外,一个循环中输入凹面腔的能量由环形喷口宽度所决定,因此,当喷口前后压比大于临界压比1.89时,保持喷口宽度不变而仅改变喷口前后压比,所产生的非定常激波和激波聚焦强度基本不变。     

一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法

激波管所产生的非定常运动激波,若强度和形状能够按照一定的设计要求进行可控条件下的调节,将可望为燃料点火燃烧试验等提供具有独到优势的研究手段。基于激波动力学理论,针对激波管中所产生的平面运动激波,通过设计特定的上下壁面收缩型线,使初始平面运动激波,经收缩段（包括光滑凹形曲线段、斜直线段和光滑凸形曲线段）的变形和强度增加,再以平面波面形状进入较小截面直管段的连续转变过渡,得到了强度增加的平面激波。进一步对所设计的典型型线分别采用数值计算和试验的方法,考核分析激波运动过程中的形状变化,验证了理论方法的可靠性。在此基础上,分析了型线设计的关键参数对激波增强幅度的影响,结果表明,相对于传统激波管方法,本文中所提出的收缩截面方法能更显著地增加平面激波强度;另外,还考察了初始入射激波马赫数对壁面型线和运动激波波面形状的影响,结果表明,对于较强的初始入射激波来说,壁面型线对入射激波强度依赖较小,也就是说,当实际入射激波马赫数即使稍偏离设计状态时,仍然能得到近乎完美的平面形状增强激波。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明：当流体的粘度梯度方向（从小到大的方向）与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。     

激波冲击下Air/SF6斜界面不稳定性实验研究

激波在不同密度介质上的交互作用在可压缩湍流上具有重要的基础价值。激波在界面上的作用会引起Richtmyer-Meshkov不稳定性。激波不正规折射时,流场存在更多复杂的涡。研究马赫数为1.23、1.41的激波在初始倾角β=60°的Air/SF6界面上非正规折射的情况。入射激波的切向冲击和法向冲击的相互作用,在界面处产生涡,折射波在壁面发生马赫反射。利用阴影显示技术,给出了界面演化和混合的过程。     

基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。     

导流块深度对楔形空腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对楔形空腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对导流块深度分别为0、5、10、15mm的楔形空腔内激波聚焦的过程开展了实验和数值模拟研究。用高速CCD(charge coupled device)拍摄了楔形空腔中气流流动的纹影照片,用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,并用高精度的数值方法对该过程进行了数值模拟研究。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦的过程发现:导流块深度越深,前导激波和压缩波两者聚焦的时间间隔越小,因此增大了激波聚焦的强度和空腔底部的压力峰值。导流块深度会影响二次激波形成的时间和发展程度,从而影响激波聚焦过程中楔形空腔内流场的紊乱程度。      

受限空间内激波与火焰作用的三维计算

激波与火焰的相互作用常发生在超声速燃烧和燃烧转爆轰过程中,为深入了解这一现象,采用带化学反应的三维Navier-Stokes方程,对平面入射激波及其反射激波与火焰的作用进行了计算研究,其中燃烧过程使用单步反应模型描述。研究结果显示:在受限空间内模拟激波与火焰作用,能更好地符合实验结果,从而体现出受限空间的三维效应;火焰在入射激波的作用下主要经Richtmyer-Meshkov不稳定而发生变形,此时火焰变形以物理作用为主,燃烧膨胀效果相对不明显;当反射激波与变形火焰再次作用后,火焰迅速膨胀变形,放热率维持在较高水平,此时化学反应过程起主要作用;在反射激波的作用下,变形火焰复杂三维涡结构的形成能强化热量与质量的输送,提高燃烧速率。     

“Ⅳ型”激波干扰中流-热-固耦合问题一体化计算分析

针对高超声速进气道前缘"Ⅳ型"激波干扰产生的气动加热与结构传热多物理场耦合计算问题，发展了一种基于有限体积法的流-热-固一体化计算方法。该方法采用一体化控制方程组统一离散求解外部高速流场与内部结构温度场，规避了传统分区耦合算法在时间域内交替迭代的繁琐数据交换策略。另外，提出一种新的双温阻模型计算流-固交界面的物性参数以保证计算准确性，采用LU-SGS隐式时间迭代和自适应时间步长以提高计算效率。采用经典高超声速二维圆管流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证，计算结果与试验值和参考文献数据吻合较好，证明了该方法的可靠性和正确性。利用一体化方法对高超声速前缘"Ⅳ型"激波干扰流-热-固耦合问题进行定常/非定常计算与分析，给出了温度与热流的时变特性，计算结果表明，激波干扰作用产生的超声速"喷流"不断冲击壁面，使得壁面最大压力系数增大约9倍，壁面最大热流增大约4.7倍，给高速飞行器的热防护设计与选材带来严峻挑战。同时，也表明了一体化计算方法可以较好地用于长航时飞行条件下与复杂飞行环境下的高超声速热防护系统的热环境特性分析与综合性能评估。     

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.     

共振型PDE谐振腔喷嘴匹配关系研究

在数值模拟的基础上分析了两种不同形状的喷嘴:细长孔喷嘴(或称狭缝喷嘴)和环形喷嘴对于射流碰撞和激波形成以及聚焦的影响.在此基础上又以环形喷嘴为例,分析了喷嘴尺寸对于射流碰撞和激波形成聚焦的影响,得出环形喷嘴相对于细长孔喷嘴具有更好的聚焦效果,以及有效利用激波起爆爆震波的喷嘴与谐振腔的几何匹配关系.