激波冲击R22重气柱所导致的射流与混合研究

基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流. 关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 R22重气柱 反射激波 射流     

磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究

本文基于磁流体动力学方程组,在保证磁场散度为零的条件下,采用CTU+CT（corner transport upwind+constrained transport）算法,对有无磁场控制下激波与重质或轻质三角形气柱相互作用过程进行数值研究.结果表明：无论有无磁场,两气柱在激波冲击下均具有完全不同的波系结构和射流现象.其中,入射激波与重气柱发生常规折射,形成介质射流,而与轻气柱作用则发生非常规折射,形成反相空气射流.无磁场时,气柱在激波冲击下,产生Richtmyer-Meshkov和Kelvin-Helmholtz不稳定性,界面出现次级涡序列,重气柱上下角卷起形成主涡对,轻气柱空气射流穿过下游界面后形成偶极子涡.施加横向磁场后,次级涡序列、主涡对以及偶极子涡均消失.进一步研究表明,在磁场作用下,洛伦兹力将不稳定性诱导产生的涡量向界面两侧的Alfvén波上输运,减少界面涡量沉积,抑制界面卷起失稳.最终,涡量沿界面两侧形成相互远离的涡层,界面不稳定性得到控制.此外,定量分析表明磁场能加快两气柱上游界面的运动,抑制下游界面的运动,且对轻气柱的控制效果更好.     

激波与SF6球形气泡相互作用的数值研究

本文基于大涡模拟方法, 采用高阶精度格式对平面入射激波以及不同反射距离条件下的反射激波与SF₆重气泡相互作用过程进行了三维数值模拟. 数值结果清晰地显示了SF₆重气泡在激波作用下诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性过程, 揭示了入射激波以及反射激波在气泡界面聚焦诱导射流的过程, 详细分析了不同反射距离条件下反射激波与SF₆重气泡作用过程及流场结构.     

不同界面组分分布对Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.     

入射和反射激波诱导重气泡变形和失稳的三维数值研究

 采用大涡模拟方法,对入射激波及其反射激波诱导球形重气泡的变形失稳过程进行了三维数值模拟,利用已有实验验证了计算模型的可靠性,重点考察了反射激波与已经失稳的气泡界面的再次作用,讨论了涡环的形成及其三维失稳的过程。研究结果显示：入射和反射激波与球形重气泡作用产生斜压效应,会在流场中产生旋转方向截然相反的多个涡环;反射激波诱导的涡环具有较小的强度,故更加容易失稳,甚至能完全形成具有流向涡量的复杂小尺度涡结构。     

铁-铍介质界面上激波折射现象的数值研究

用数值方法研究铁-铍介质界面上的激波折射现象.运用激波极曲线理论分析不同强度的激波从正规折射过渡到非正规折射的临界角变化.运用一个具有二阶精度和波传播性质的激波捕捉法,数值求解激波折射运动的流体力学方程组.对正规折射,数值结果与激波极曲线理论一致;对非正规折射,不同强度的激波大都存在前驱的折射激波,并且入射激波的强度不同、入射角度不同,激波折射的图像也不同.     

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.     

波后滑移线引起的界面变形和R-M不稳定性

实验研究复杂波形结构引起平面界面变形和反射激波冲击下的R-M不稳定性的问题.在竖直激波管中生成稳定的N₂/SF₆平面界面,激波在圆柱绕射后,冲击平面界面,由此研究复杂激波引起的界面变形.平面激波在圆柱绕射后的流场,演化成具有初始入射波、三波点、弯曲反射波、Mach波和Mach反射产生的滑移线等复杂结构.研究复杂结构激波对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.绕柱激波冲击后,平面界面仅在两对滑移线内部发生变形.绕柱激波冲击界面后,两对滑移线将界面分成"内界面"和"外界面",界面变形形态同滑移线和界面相交位置相关.反射激波二次冲击下,界面扰动的增长与Jacobs-Sheeley涡量模型较吻合.      

纵向磁场抑制Richtmyer-Meshkov不稳定性机理

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU (corner transport upwind)+CT (constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性的发展;无磁场时,流场结构与Haas和Sturtevant (Hass J F,Sturtevant B 1987 J. Fluid Mech. 181 41)的实验结果相符;施加纵向磁场后,激波结构的演化基本无影响,但明显抑制了气柱界面的不稳定性.进一步研究表明,激波与界面的作用,使磁感线在界面上发生折射,改变流场的磁场梯度,在内外涡量层上形成磁张力.磁张力的形成,对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩,抑制了界面的失稳及主涡的卷起.另外,磁张力沿界面分布的不均匀,改变磁感线在界面上的聚集程度,放大磁能量,最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用.     

ρ-VOF:一种可清晰模拟自由界面的两相流方法

文章通过对EFM(effective field modeling)模型进行简化, 消除了原模型的非守恒性项和非双曲性特性项, 发展了一种基于密度的气液两相流模拟方法: ρ-VOF方法.利用体积分数信息对控制单元内的自由界面进行重构, 得到了控制单元内流体的空间分布, 并采用AUSM+-up格式获得考虑气液流体接触间断信息的对流通量.新方法可统一处理激波间断和接触间断的相互作用, 保持自由界面的尖锐性, 并且其计算量与自由界面的空间复杂度无关.最后, 数值模拟了液体激波管气液激波管和气体激波跨二维液滴传播等问题, 并与文献结果进行对比, 验证了本方法在气液两相流模拟中的准确性.      

偏心对汇聚激波诱导的RM不稳定性影响的数值研究

数值研究汇聚激波与四种形状（圆形、小振幅单模、大振幅单模和正方形）的二维气柱界面相互作用,激波汇聚中心与界面同心和不同心（即偏心）时Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的发展规律,重点考察界面中心的压力及混合区面积在两种情况下随时间的变化.数值方法使用VAS2D程序,该方法采用有限体积法结合网格自适应技术,能够达到时间和空间的二阶精度.结果表明,偏心情况下RM不稳定性是其在同心情况下的扰动和偏心小扰动叠加的结果.在本文采用的偏心程度下（20%）,偏心对于圆形无扰动界面发展的影响主要表现在后期界面出现微小扰动结构;而对于单模和正方形这种原本有扰动的界面,偏心使扰动结构呈现不对称及扭曲,同时也影响了界面中心压力和混合区面积,因而加剧了不稳定性的发展.     

Richtmyer-Meshkov不稳定性强化混合参变机理

在不同参数条件下, 计算分析了H₂O和N₂等混合物界面上激波诱导Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性过程.采用有限差分方法数值求解了二维可压缩Navier-Stokes方程, 对流项以5阶特征紧致-WENO混合格式离散, 输运项以6阶对称紧致格式离散, 时间方向以3阶显式Runge-Kutta方法推进.研究表明, 界面振幅和激波强度增大, 均可增强界面附近涡量场, 强化混合.      

Modeling the propagation of long, intense microwave pulses inmixtures of air and SF6

Self-consistent equations-Maxwell's equations and the electron fluid transport equations-are used to study the interaction of long, intense microwave pulses with gases. The threshold for breakdown is a factor of seven higher in SF₆ than in air. This difference is attributed to the fact that SF₆ is an insulator. When SF₆ was mixed with air, the breakdown threshold increased with the increase in the percentage of SF₆. Introducing 5-10% of SF₆ in air increased the breakdown threshold by a factor of 3-4. The electron density and conductivity and the plasma frequency increased as the pulse intensity increased. The growth rates of the electron density and conductivity were much higher in air than in SF₆     

Pressure limits for the vacuum arc deposition technique

Observations of the cathodic copper plasma expansion at low pressures of He, Ar, and SF₆ showed that, for background gas mass densities of ρ_g=1 to 4×10^-4 kg/m ³ and higher, the plasma and gas are separated into two volumes. A shock wave acts as a boundary between the two volumes. The boundary attains a stationary position once its expansion velocity decreases to the velocity of sound in the background gas. This position corresponds to a distance R_c to the cathode that agrees with a snowplow expansion model, giving R_c ^βf=E_r, where f is a function of the arc current and background gas characteristics, E _r is the erosion rate of the cathode, and β varies between 2.1 and 2.5. The interaction model is based on kinetic energy exchanges between two gas-like volumes without other energy losses. A maximum pressure limit for vacuum arc deposition is set for ρ_g /I=2 to 9×10^-6 kg/m³ A     

基于飞秒激光引导高压放电的SF6分解物原位检测

气体绝缘开关设备(GIS)绝缘缺陷引发的放电会导致SF₆分解,分解产生的低氟硫化物与设备内的微量H₂O和O₂反应生成具有腐蚀性的物质,影响设备正常运行,因此,研究SF₆分解机理对GIS的安全运行具有重要意义。由于部分分解物在采样过程中发生转化,因此,实现SF₆分解物的原位检测对于研究SF₆分解机理是十分必要的。采用飞秒激光引导高压放电实现了高压放电空间和时间的精确控制,并利用飞秒激光引导高压放电产生的空间分辨光谱实现了SF₆分解物的原位测量。首先研究证明了飞秒激光不会引起SF₆的分解;其次,利用飞秒激光产生的等离子体通道实现了放电空间和时间的精确控制;最后,发现分解物中包含由于高能电子碰撞直接或间接产生的大量S和F的离子和原子。研究证明了基于飞秒激光引导高压放电可以实现SF₆分解物的原位检测,为开展高压放电下SF₆分解机理研究提供了一种新的研究手段。     

Study of a circuit-breaker arc with self-generated flow. I. Energytransfer in the high-current phase

This study deals with the first phase of operation, corresponding to the energy transfer between arc and gas and to the pressure rise. The experimental study is devoted to measurements of current, arc voltage, and pressure variations in N₂ and SF₆. For currents of the order of 10 kA the mean measured electric field was about 32 V/cm in SF₆ and 36 V/cm in N₂. Through a bibliographical study and a modeling approach of the interruption arc, an analysis of the role of the different mechanisms of energy transfer between the arc and SF₆ was conducted. With a 10 kA pulse, about 80% of the transfer is found to be due to convection and the rest to radiation from the arc. This transfer results in an overpressure of nearly 1 bar in SF₆ and 2 bar in N₂. It appears that the operation of this type of circuit breaker is limited to high currents: for currents below 7 kA the overpressure is lower than 0.5 bar, which does not provide efficient blowing at current zero     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

Study of a circuit-breaker arc with self-generated flow. III. Thepost-arc phase

For pt.II see ibid., vol.16, p.615-22, 1988. The third part of this study of a circuit-breaker arc with self-generated flow concerns the model of the post-arc phase. The greater interruption capability of SF₆ compared to N₂, already suggested in pt.II, is confirmed by the following results: amplitude and duration of the postarc current are much lower in SF₆ and the maximum value of the rate of rise of recovery voltage is about three times higher in SF₆ than in N₂. The model also predicts the existence of a plateau in post-arc current variation and the original behavior of this type of circuit-breaker: interrupting efficiency increases with the current peak in the initial phase