压力传感器中压力阶跃的传播特性与稳定时间分析

本文对压力阶跃在压力传感器中的传播特性作了进一步的分析与讨论,並且提出了压力阶跃在压力传感器中传播所需的稳定时间与测量精度之间的关系,这为压力传感器的正确设计提供了理论分析的依据。     

一种激波稳定的对流-压力通量分裂格式

针对欧拉方程三种流行的对流-压力通量分裂方法(Liou-Steffen,Zha-Bilgen和Toro-Vázquez)进行特征分析,进而提出一种新的对流-压力通量分裂格式。采用Zha-Bilgen分裂方法将欧拉方程的通量分裂成对流项和压力项两部分,使用TV格式来计算这两部分的数值通量。利用压力比构造激波探测函数,并且在强激波附近的亚声速区域增加TV格式的剪切粘性来克服数值模拟中的激波不稳定性。数值算例的计算结果表明,新的对流-压力通量分裂格式不仅保留了原始TV格式精确分辨接触间断的优点,而且具有更好的鲁棒性,在数值模拟多维强激波问题时不会出现不稳定现象。因此,该格式是一种精确并且具有强鲁棒性的数值方法,可以广泛地应用于可压缩流体的数值计算中。     

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明：对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 k Pa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。     

激波与可运动颗粒群相互作用反射与透射机理实验研究

对水平圆柱形激波管内可压缩性气体与颗粒群的相互作用进行了实验研究与理论分析。利用由压力传感器、信号放大器、示波器和计算机组成的压力测量系统对激波与颗粒群作用时的动态压力进行了测量。发现激波管内发生的是一个复杂的过程,包括激波与颗粒群作用时伴随了激波和膨胀波的反射与透射现象、激波和膨胀波与接触面的干涉、以及激波从激波管端壁的反射等现象。当颗粒装载比α=1时,透射激波被直径为6mm的颗粒群衍射并且有膨胀波紧随其后,因此由透射激波引起的第一个压力峰急剧下降。颗粒装载比和颗粒直径影响透射激波的衍射和衰减。     

基于多层分块算法的激波干扰流场预测

激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一. 特别地, 第IV类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注. 本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题, 分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型, 数值求解有黏二维可压缩NS方程, 分析了高温气体效应对激波干扰流场结构, 以及第IV类激波干扰流场状态参数的影响. 接着, 本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法 (多层分块算法), 给出能够预测不同气体模型下第IV类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型, 进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估. 激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明, 不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著, 获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值.      

改进的 Morse 势和冲击压缩

用分子动力学方法模拟凝聚介质中一维分子链上的激波传播，以得到与冲击压缩实验相一致的结果。通过比较分子链上的孤立波解与激波的实验结果，提出对分子间Ｍｏｒｓｅ作用势进行与考虑量子效应相一致的修正，从而使分子动力学模拟得到的激波Ｕｓ－Ｕｐ关系与实验结果在波后粒子速度达到声速的范围内一致。     

激波驱动的气固两相流的动态压力测量

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究.利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响.试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波,其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关;激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出,在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.      

标定激波管的激波前沿构造和毫微秒传感器

标定激波管所以能用来标定传感器的各种动态性能,是由于它能提供一个远比一般传感器上升时间快得多的陡峭的阶跃压力函数.但是随着科学技术的不断进步,传感器的响应速度愈做愈快,必然会提出这样一个问题,用标定激波管标定传感器,允许标定的上限频率是多少?     

激波喷出过程和在林带中的传播

运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果 :揭示了激波从管口喷出时的复杂流场 ,显示了主激波弯曲和衰减 ,二次激波的形成和合拢 ,涡环的长大和发展 ,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象 ;显示了激波在林带中的传播过程 ,取得了激波遇林地的反射 ,马赫杆形成 ,激波与林冠的相遇 ,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片 ;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力 ,证实林带有明显的消波效应。     

氢燃料缓燃向爆震转捩过程中波与火焰的匹配特性

为了解氢燃料爆震过程中压力波与火焰之间相互匹配的特性,在60mm60mm2000mm 方 爆震管内,用氢气和空气混合物进行了单爆震性能研究。在爆震转捩区内布置压力传感器与离子探针,用来 监控压力波和火焰的信号,同时利用高速摄影仪集中拍摄转捩区域。根据压力波和火焰面在爆震管不同时刻 的强度特性、速度特性及位置特性来分析爆震过程中波与火焰匹配的规律。结果表明:压力波和火焰的强度 呈现为相互正反馈匹配性质;缓燃向爆震转捩(DDT)过程中,压力波和火焰的速度表现为相互交替的变化过 程,且缓燃阶段中火焰速度的增幅大于压力波速度的增幅;当火焰面追赶上激波时,产生过爆,火焰面会临时 位于激波前面;在过爆衰减为正常爆震波的过程中,激波在火焰前面。     

A calculating method of shock wave oscillating frequency due to turbulent shear layer fluctuations in supersonic flow

One of the more severe fluctuating pressure environments encountered in supersonic orhypersonic flows is the shock wave oscillation driven by interaction of a shock wave withboundary layer.The high intensity oscillating shock wave may induce structure resonanceof a high speed vehicle.The research for the shock oscillation used to adopt empirical orsemiempirical methods because the phenomenon is very complex.In this paper atheoretical solution on shock oscillating frequency due to turbulent shear layer fluctuationshas been obtained from basic conservation equations.Moreover,we have attained theregularity of the frequency of oscillating shock varying with incoming flow Mach numbersM_∞and turning angleθ.The calculating results indicate excellent agreement withmeasurements.This paper has supplied a valuable analytical method to study aeroelasticproblems produced by shock wave oscillation.     

Motion analysis of a diaphragmless driver section for a narrow channel shock tube

We set up a diaphragmless driver section as the first step towards developing a shock tube at microscale which has high experimental efficiency, independent of tube dimensions or the ratio of driver and driven pressure. The experiment described in this paper is performed by using our diaphragmless driver section. We measured the operating time and the velocity of the fast opening valve. Additionally we have introduced and calculated the differential equation, by using the Runge–Kutta–Gill method, to understand the motion of the fast opening valve. We achieved good agreement between experimental and calculated results for the velocity. We can conclude that the diaphragmless driver section is highly suitable for a narrow channel shock tube.      

激波冲击SF6重气泡引发射流的数值模拟

为深入研究重气泡内激波聚焦和射流生成的机理,采用高精度计算格式和高网格分辨率对马赫数为1.23的平面入射激波与SF₆重气泡的作用过程进行数值模拟,计算结果与文献中实验吻合较好。结果显示:入射激波在重气泡内首先在流向上汇聚形成上、下对称的高压区,随后,这对高压区在SF₆重气泡中心对称轴处再次碰撞,完成激波聚焦过程,并在气泡下游界面附近形成远大于初始压力和密度的局部高压高密度区,体现出SF₆重气泡极强的聚能效应;激波聚焦还引起气泡下游界面附近的涡量变化,涡对的旋转能够加速射流形成与发展。因此,SF₆重气泡下游界面附近的高压区和涡量分布对形成射流结构均有促进作用。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性

锥形水中爆炸激波管是进行水中爆炸实验的一种装置,该装置能够通过较小装药量在相同距离处实现自由场水中较大装药量爆炸的冲击波峰值。为了获得柱形装药条件下锥形水中爆炸激波管内的冲击波特性,本文通过数值计算的方式,对不同圆锥角和不同柱形装药质量下锥形激波管内的冲击波传播过程进行了模拟,通过对不同工况下激波管内冲击波特性进行分析,发现其初始冲击波的衰减规律符合自由场水中的指数衰减形式,并拟合得到了与自由场水中爆炸相容的冲击波峰值、比冲量和能流密度经验公式;发现其二次脉动压力周期与炸药质量呈反常规的变化规律,并引入等效静水压深度解释了这一现象;发现其二次脉动压力幅值与初始冲击波幅值之比比自由场水中更大,而二次脉动压力的比冲量与初始冲击波冲量之比与自由场水中相当。     

基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量

为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF(polyvinylidene fluoride)压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2～0.7 MPa压力范围内名义灵敏度约900～1 350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

Waves in partially saturated porous media

The propagation of compressional waves in a porous medium is investigated in case the pore liquid contains a small volume fraction of gas. The effect of oscillating gas bubbles is taken into account by introducing a frequency-dependent fluid bulk modulus, which is incorporated in the Biot theory. Using a shock tube technique, new experimental data are obtained for a porous column subjected to a pressure step wave. An oscillatory behaviour is observed, consisting of two distinct frequency bands, which is predicted by the theoretical analysis.     

Propagation characteristics of shock waves driven by gaseous detonation waves

We experimentally investigated propagation characteristics of the shock wave driven by a gaseous detonation wave emerging from the open end of a cylindrical detonation tube. In the present study, we visualized the shock wave and exhaust flowfields using a shadowgraph optical system and we obtained peak overpressure in the tube axial direction and the continuous shape transformation of shock waves around the tube open end. We also obtained overpressure histories of the shock wave using piezo-pressure transducers within 201 m from the open end of the tube. We normalized and classified these results by four regions using non-dimensional pressure and distance which are independent of variety of mixture and tube diameter. In the vicinity of the open end of the tube, the shock wave is nearly planar and does not significantly attenuate, and the peak overpressure maintains approximately C–J pressure. Subsequently, the shock wave attenuates rapidly, transforming from quasi-spherical to spherical. Farther from the tube open end, the shock wave propagates with approximately sound characteristic so that the peak overpressure decreases proportional to 1/r. Eventually, the shock wave begins to attenuate more rapidly than ideal sound attenuation, which may be due to the viscous effect.     

水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征

基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标 内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析,得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量 分布。结果表明,基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时 间对目标损伤的影响,同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上的分 布和衰减的细节信息,由此可确定冲击波和二次压力波各自对目标毁伤的影响。