带展向曲率的超音速混合层中扰动演化的研究

超音速混合层的流动不稳定性较之亚音速或不可压的混合层大大减弱，为了提高混合效率， 通过数值模拟的方法分别研究了展向曲率、展向速度、来流马赫数等因素对混合效率所 起的作用. 计算结果表明：在给定展向速度的情况下，带有展向曲率的三维混合层，曲率越 大三维扰动增长率越大，而且法向的卷起范围也越大. 当展向曲率不为零时，展向速度的增 大也能有效地增强混合能力. 由流场中的高频扰动波产生的涡，在向下游发展过程中会有破 碎、拉伸，低频扰动波没有发现这一现象. 对于有展向曲率和展向速度的混合层，提高来流 马赫数时，流场中最不稳定扰动的增长率仍很大. 因此，这是一种提高混合层混合效率的新 途径.     

化学反应对超音速混合层发展的影响分析

超音速混合层流动发展的研究对于了解超音速燃烧过程具有重要意义.基于耦合详细化学反应动力学机理的高精度数值模拟,分析了化学反应对超音速混合层发展过程的影响.主要分析了在两种燃烧状态下化学反应对混合层的演化过程和混合层厚度的影响.此外从涡动力学角度,分析了化学反应对混合层厚度的影响机理.     

超声速混合层中扰动增强混合实验

以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering, NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层($Mc=0.5$)的混合增强效果. 首先通过系列实验优化设计了扰动参数. 实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感. 二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展. 总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动. 由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.      

混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定

用有限差分方法求解三维Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和连续性方程，对时间发展的平面混合层中流向涡的产生原因进行了分析．将Ｒａｙｌｅｉｇｈ的轴对称无粘离心不稳定理论推广应用于分析混合层的二维基本流，并导出一无量纲量Ｒａｙ＝－（ｒ／νθ）νθ／ｒ，其中νθ为一流体质点相对于平均速度的速度，ｒ为该质点迹线的曲率半径．当Ｒａｙ＞１．０时就会发生离心不稳定．采用这一判别式后发现混合层中展向涡的周围，尤其是在辫带区，的确存在离心不稳定区域，而过去的实验结果也表明三维不稳定产生于展向涡之间的辫带区．因此有理由认为，除非雷诺数特别小，离心不稳定是流向涡产生和发展的主要原因     

超声速边界层/混合层组合流动的稳定性分析

利用可压缩线性稳定性理论研究了超声速混合层考虑壁面影响流动时的失稳特性. 基本流场选取了具有不同速度特征的2 股均匀来流,进入存在上下壁面的流道中. 混合层与边界层的距离为1~3 个边界层厚度,其中壁面取为绝热壁. 分析了该流动在超声速情况下的稳定性特征,同时还讨论了不同波角下的三维扰动波的演化特点,并与二维扰动波进行了比较和分析. 研究结果表明,在此流动情况下,边界层流动和混合层流动的稳定性特征同时存在,并互有影响,其流动稳定性特征既有别于单纯的平板边界层,也有别于单纯的平面混合层,呈现出了新的稳定性特征.      

混合层强化混合的数值研究

受 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验的启发，采用高阶精度的差分格式，通过数值模拟的方法，研究了二维混合层及限于两平板间的二维混合层（二维受限混合层）入口处加振动对提高混合层混合效率的作用．计算结果表明：对二维混合层，振动的频率越低，在混合层中产生的大尺度涡结构的尺度越大，在频率很低时，涡具有相似性；对限于两平板间的二维混合层，在一定的振动频率下，混合层中产生的涡较大而且破碎得也较好，这将有利于混合．这一结论与 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验观测到的结果是一致的．     

低对流马赫数平面混合层的声波产生机理

为了详细揭示低对流马赫数下平面混合层的声波产生机理,基于高精度混合格式,对空间发展的平面混合层的流场结构及其声场特性进行了直接模拟.数值结果描述了对流马赫数为0.4时混合层失稳产生的涡串以及涡发展过程中所存在的各种声源,其中包括常规的单涡四极子声源、双涡以及多涡合并过程产生的四极子声源,另外,还发现因K-H不稳定引起混合层振动而产生的偶极子声源,声波以平面波的形式向周围传播.     

化学反应对超音速混合层发展的影响

超音速混合层流动发展的研究对于了解超音速燃烧过程具有重要意义.基于耦合详细化学反应动力学机理的高精度数值模拟,分析了化学反应对超音速混合层发展过程的影响.主要分析了在两种燃烧状态下化学反应对混合层的演化过程和混合层厚度的影响,此外从涡动力学角度,分析了化学反应对混合层厚度的影响机理.     

混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究

对平面混合层绕流圆柱时的旋涡脱落和流动结构进行了数值研究。方法是用一空间、时间三阶精度的有限差分格式解二维不可压Navier-Stokes方程和连续性方程。计算时雷诺数Re取为1000,混合层速度比Ra从0到1,混合层动量厚度θ由0.2到2。     

可压缩混合层流动近十年研究进展

从稳定性分析、实验研究和数值模拟3个方面回顾了过去近10年间关于可压缩混合层流动的研究.这些工作研究了可压缩性对混合层其它性质的影响,这些性质包括混合层增长率、不稳定模式、流场结构、平均速度和脉动速度、以及标志物的混合等.3种研究方法相互补充, 共同提供了认识可压缩混合层流动机制的大量信息.这些研究是湍流机理研究的重要组成部分,也是混合层流动在应用技术领域成功应用的前提.      

超声速边界层/混合层组合流动的稳定性分析简

利用可压缩线性稳定性理论研究了超声速混合层考虑壁面影响流动时的失稳特性. 基本流场选取了具有不同速度特征的2 股均匀来流,进入存在上下壁面的流道中. 混合层与边界层的距离为1~3 个边界层厚度,其中壁面取为绝热壁. 分析了该流动在超声速情况下的稳定性特征,同时还讨论了不同波角下的三维扰动波的演化特点,并与二维扰动波进行了比较和分析. 研究结果表明,在此流动情况下,边界层流动和混合层流动的稳定性特征同时存在,并互有影响,其流动稳定性特征既有别于单纯的平板边界层,也有别于单纯的平面混合层,呈现出了新的稳定性特征.     

可压缩边界层与混合层失稳结构的研究进展及其工程应用

本文回顾了可压缩边界层与混合层中失稳结构及其应用的研究进展. 这些工作包括人们对高超声速平板边界层失稳特性、高超声速圆锥边界层转捩攻角效应的产生机制和可压缩混合层失稳特性的研究认识,以及这些相关认识的3 个应用方向. 这些相关工作丰富了人们对高速流动转捩和湍流拟序结构的认识.     

超声速平面混合层小激波的形成与演变

为了揭示超声速混合层中小激波形成机理及其与涡相互作用的演变过程,本文基于大涡模拟（LES）方法,结合五阶精度混合TCD／WENO格式,对超声速平面混合层在对流马赫数为Mc=0．65条件下的流场结构进行了数值模拟,数值结果详细描述了超声速混合层中小激波的形成过程。研究了小激波形成后,随涡运动而产生的变形、脱落及发展过程。同时,对混合层双涡合并过程中,小激波与相邻涡相互作用所产生的变形与演变过程进行了讨论。     

Numerical simulation of supersonic reacting mixing layer

In this paper, the supersonic chemically reacting mixing layer is simulated with the third order ENN scheme, based on the Navier-Stokes equations, containing transport equations of all species. The numerical results show that the thickness of mixing layer increases gradually along the flow direction, and that the Kelvin-Helmholtz instabilities may not exist in mixing layer flows. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

On the evolution of large scale structures in three-dimensional mixing layers

In this paper, several mathematical models for the large scale structures in some special kinds of mixing layers, which might be practically useful for enhancing the mixing, are proposed. First, the linear growth rate of the large scale structures in the mixing layers was calculated. Then, using the much improved weakly non-linear theory, combined with the energy method, the non-linear evolution of large scale structures in two special mixing layer configurations is calculated. One of the mixing layers has equal magnitudes of the upstream velocity vectors, while the angles between the velocity vectors and the trailing edge were π/2-φ and π/2+φ, respectively. The other mixing layer was generated by a splitter-plate with a 45-degree-sweep trailing edge. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19642001) and Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)     

Vortex structure simulation for supersonic mixing layers using nonlinear PSE method

The method of nonlinear parabolized stability equations (PSE) is applied in the simulation of vortex structures in compressible mixing layer. The spatially-evolving unstable waves, which dominate the vortex structure, are investigated through spatial marching method. The instantaneous flow field is obtained by adding the harmonic waves to basic flow. The results show that T-S waves do not keep growing exponentially as the linear evolution, the energy transfer to high order harmonic modes, and that finally all harmonic modes get saturated due to nonlinear interaction. The mean flow distortion induced by the nonlinear interaction between the harmonic modes and their conjugate harmonic ones, makes great change of the average flow and increases the thickness of mixing layer. PSE methods can well capture the two- and three-dimensional large scale nonlinear vortex structures in mixing layers such as vortex roll-up, vortex pairing, and Λ vortex.     

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.