空间等离子体环境中的高能带电粒子加速机制

空间环境中充满能量从几十keV到几MeV的高能带电粒子,这些粒子可导致在轨航天器表面和内部带电甚至单粒子效应,从而引发航天器故障。高能粒子的产生和日地空间环境中的爆发现象如耀斑、磁层亚暴等密切相关。文章综述了与这些爆发现象相关的磁重联、激波和等离子体波动等加速带电粒子的物理过程。     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

Simplified procedure for controlling pressure distribution of a scramjet combustor

Scramjet engines are used at extreme temperatures and velocity. New control problems involving distributed parameter control have been found concerning investigations of the control of scramjet engines whose physical states are spatially interacted. Succeeding the existing theoretical studies on the distributed parameter control for scramjet engines, this paper puts forward a simplified distributed parameter control approach for scramjet engines aimed at engineering application. The simplified control procedure uses the classical proportional-integral（PI） compensation to control the target pressure distribution of scramjet engines, which is effective and applicable for practical implements. Simulation results show the validation of the simplified distributed parameter control procedure.     

海森堡模型中近邻相互作用与外磁场对LaMnO3磁热性能影响研究

使用蒙特卡罗算法模拟了海森堡模型中近邻相互作用与外磁场对钙钛矿LaMnO₃材料的磁热性能影响。通过调控近邻相互作用和磁场的大小,来获得更大的等温熵变,从而提高材料的制冷能力。模拟的结果显示等温熵变的峰值出现在相变点附近,并随着磁场增大而增大,这与实验报道的结果一致。此外,改变近邻相互作用的大小,LaMnO₃材料的相对制冷能力没有明显变化,而等温熵变的峰值随近邻相互作用的降低而增大。增大外磁场,相对制冷能力得到明显提升。     

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用（Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions, SWTBLIs）呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性，尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注，而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动，并通过自由射流风洞实验进行了系统研究，其中来流Ma∞=2.5、湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08、压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比，揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现：压缩拐角角度较小时，侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡，并抑制压缩激波的不稳定性；压缩拐角达到20°及以上时，压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式，侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动，并逐步演化为两种峰值频率分别为约50Hz、200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为，且伴随着压缩激波形态的显著改变；两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡，但沿着展向振荡强度差异显著，角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。     

声激励下的剪切流稳定性

受控小扰动对流动稳定性与流场结构的调制作用具有潜在价值，但机理和失稳过程目前尚未完全明确。采用格子Boltzmann数值方法，对声场扰动条件下平行剪切流失稳过程开展了直接模拟研究，探讨了流动失稳的机理。研究表明，点源声场作用下的剪切流失稳形式依赖于激励声波的波长—文中定义为长波模式和短波模式，声波振幅的空间分布不均匀性是剪切层失稳的重要诱因。在短波模式下，受多普勒效应影响，剪切层上下两侧声波叠加效应导致流动上游区域压力脉动的波包结构；该结构的波长与剪切层失稳波长匹配，诱导流动失稳发生。在长波模式下，剪切层上声源垂直入射区首先失稳，剪切层对声波反射的方向选择性导致声压波动振幅分布的对称性破缺，且失稳区压力波动波长随时间推进而逐渐减小。当该波长落入剪切层失稳波长范围内时，剪切层流动开始失稳。     

声涡相互作用下翼型分离泡内流动动力学特征

基于LBM-LES方法对中等雷诺数下NACA0012翼型气动噪声进行了直接模拟，得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场，分析了剪切层内流体动力学特征。结果表明：翼型壁面附近剪切层内，扰动从分离前T-S不稳定分离后向K-H不稳定转变，K-H不稳定对扰动的增长起重要作用；分离泡内湍流强度显著增长直至转捩成湍流，但流动再附后，湍流强度有所降低；750 Hz的大尺度旋涡结构是在分离泡内形成并发展成稳定结构，而2次和3次谐波频率对应的旋涡结构形成于流动转捩后，在分离泡外发展成稳定结构，说明远场2次及3次谐波纯音噪声和750 Hz主纯音噪声生成机理不同。     

左旋寻常的极光千米波与辐射带高能电子相互作用的参数化研究

参数化研究了在L=4.5外辐射带区域左旋寻常（Left-hand Ordinary mode, L-O模）的极光千米波与高能电子的相互作用，定量计算了左旋寻常的极光千米波在不同峰值频率、传播角分布和纬度分布条件下的弹跳平均投掷角扩散系数、动量扩散系数和投掷角–动量交叉扩散系数。计算结果表明，动量扩散系数一般比投掷角扩散系数大100倍左右，说明动量扩散在L-O模与电子间的相互作用中起主导作用。随着传播角范围的改变，扩散系数均未发生明显变化，这说明L-O模与电子相互作用的扩散系数对传播角范围的依赖性很小。此外，扩散系数会因为L-O模纬度分布的改变而发生剧烈变化，该结果与之前得到的纬度分布对右旋奇异的极光千米波的影响是一致的。通过参数化研究结果表明，适当条件下，L-O模可能会显著影响外辐射带高能电子的动力学过程。