圆柱形汇聚激波诱导 Richtmyer-Meshkov不稳定的 SPH 模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particlehydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.      

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

Air／SF6界面RM不稳定性诱导的物质混合诊断

不同流体伴随激波的作用,在不同密度介质的界面处往往存在激波诱导的界面不稳定性,即RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性,由此不稳定诱导了物质间的相互混合。文中研究了低马赫(1.23)激波作用Air/SF6界面RM不稳定性问题。Air/SF6初始界面由厚度为1～2μm的硝化纤维薄膜相隔得到,利用阴影测试法研究了Air/SF6界面在1.23马赫数激波冲击下,界面混合宽度随时间的发展过程,以及反射激波作用后混合宽度的再增长。实验结果表明混合宽度线性发展前期与经验公式吻合较好。     

柱状汇聚激波冲击单模气体界面的实验研究

在自行设计和加工的半环形汇聚激波管中,开展了柱状汇聚激波冲击单模Air/SF6气体界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性实验研究。不同于以往的环形激波管,该激波管具有半圆形结构的实验段,使半环形管道和实验段都向外敞开,能够参考传统水平激波管的方式设置初始扰动界面和观测系统。采用线约束肥皂膜的方法形成单模初始扰动界面。利用高速纹影成像技术得到了柱形汇聚激波作用下界面演化的完整过程。为了研究初始振幅对界面演化形态的影响,实验中生成了三种不同初始振幅的单模界面,并获得了三种工况下界面位移和扰动振幅随时间的变化。结果表明,汇聚激波作用下的RM不稳定性与平面激波有很大差别,主要原因在于汇聚效应,包括结构汇聚、流动压缩以及界面反相等。     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组，采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscous-flow and turbulence)，模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF₆界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明，初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前，非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大；反射激波加载后，非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步，定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外，还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比，发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用，使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

二维空间中基于黎曼解的SPH方法

应用传统的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟激波问题能自主捕获波阵面,但是在接触间断界面处却不可避免地存在压力振荡。采用黎曼解修正粒子对之间的相互作用,并将基于黎曼解的SPH方法扩展到二维空间。通过对一维具有解析解的激波管问题和二维拟内爆问题的模拟,比较了基于黎曼解的SPH方法和传统的SPH方法。数值结果表明,相对于传统的SPH方法,基于黎曼解的SPH方法能够有效避免接触界面处的压力振荡,提高求解的精度。     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

群速度控制格式及二维Riemann解

强激波和强接触间断的数值模拟一直是计算流体力学里一个富有挑战性的课题,它们是很多实际流动的基础。三阶迎风紧致格式是一种具有较高分辨率的高精度方法,但是在计算激波时仍有数值振荡产生。本文根据数值解的群速度特性,在三阶迎风紧致格式的基础上提出了一种群速度控制格式,使得能够正确模拟含有强激波和强接触间断的复杂流动。在此基础上构造了求解包含大压力比和密度比的二维界面问题的数值方法。计算结果表明,方法对激波和接触间断的分辨效果是令人满意的。     

RM不稳定过程中预混火焰界面演化及混合区增长预测

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.      

多次激波诱导正弦扰动预混火焰界面失稳的数值研究

激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象,为深入研究火焰失稳特性,采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式,对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟,并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示,在激波的多次作用下,火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响,且随着入射激波强度的增强,上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数,根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率,提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现,在同一入射激波强度下,该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势;对不同马赫数的入射激波,该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。     

INTERFACE EVOLUTIONS AND GROWTH PREDICTIONS OF MIXING ZONE ON PREMIXED FLAME INTERFACE DURING RM INSTABILITY 1)

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.     

反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例. 单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注, 但是反射激波再次冲击气柱 (尤其是三维气柱) 的研究较少, 相关演化规律和机理尚不清楚. 反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量, 影响涡量的输运和分布, 从而影响界面的演化. 本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods) 程序, 研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量,影响涡量的输运和分布,从而影响界面的演化.本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods)程序,研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N_2气柱(气柱外为SF_6)的演化过程,并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律.在数值模拟中,选取了不同的反射距离(定义为气柱和反射边界的距离),得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像,提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据,重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势.研究表明,反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态,从而影响斜压涡量的生成和分布,进而改变气柱的不稳定性演化过程.对于三维气柱,不同高度截面上的斜压涡量分布不同,从而诱导出复杂的三维演化结构.     

SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟.将SPH方法和FEM方法与理论计算结果相比较.研究结果表明:SPH数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和...     

平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法, 研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程. 研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成, 以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化. 首先, 分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展, 发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆; 这些流动现象与液滴另外一侧 (非通道侧) 由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同, 而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因. 其次, 研究冲击中期时, 特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴, 界面形态的演化过程和规律, 揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象. 最后, 研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律, 发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系. 研究表明, 更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值, 而且使得峰值出现的时间更早.      

自适应网格技术在流体力学界面处理中的应用

自适应网格技术是流体力学数值计算中的重要内容之一．不仅能够处理大变形问题，而且能够大大提高物质界面的计算精度。针对结构网格给出了网格细化结构、误差估计、数据管理、网格产生算法等。通过对强激波双马赫反射及Rayleigh-Taylor界面不稳定性现象进行数值模拟．获得符合精度要求的对激波阵面及物质界面自适应跟踪结果。     

k-D-a-B 模型和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性的数值模拟

给出一个适用于流体力学数值模拟的湍流混合模型。由于引入湍流质量通量和密度脉动关联量的演化方程，它比一般的ｋ－ε模型能更准确地描述界面不稳定性引起的可压缩湍流混合过程，并且可以不需要人为给定初始湍流场。我们用同一套参数模拟了不同Ａｔｗｏｏｄ数的激波管实验，数值结果与实验基本一致     

反射激波冲击重气柱的RM不稳定性数值研究

数值研究了二维气柱在入射激波以及反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展规律, 采用有限体积法结合网格自 适应技术的VAS2D程序, 精确刻画激波和界面的演化. 入射平面激波的马赫数为1.2, 气柱界面内气体为六氟化硫(SF₆), 环境气体为空气, 激波管的尾端为固壁. 通过改变气柱与尾端之间的距离调节反射激波再次作用已经变形的气柱的时间, 获得不同时刻下已经变形的气柱形态、界面尺寸以及环量演化受到反射激波的影响. 结果表明, 反射激波再次作用气柱时, 气柱所处发展阶段不同, 界面演化规律以及环量随时间的变化也不相同, 反射激波与气柱相互作用过程中的涡量产生和分布与无反射情况差异较大, 揭示了不同情况下界面演化的物理机理.     

MGFM在强激波与物质界面作用中的应用

原始的虚拟流方法(GFM)在计算强激波和物质界面作用时无法得到正确的计算结果,而改进虚拟流方法(MGFM)处理这类问题的能力大大提高.本文用Level set捕获物质界面,用MGFM方法定义虚拟流节点参数,Euler方程采用HLLC格式离散求解,完成了强激波和物质界面作用的一维和二维数值实验.结果表明改进虚拟流方法在强激波与物质界面作用中的应用是成功的.     

磁场对激波冲击R22重气柱作用过程影响的数值模拟

为研究平面入射激波与磁化R22重质圆形气柱的作用过程,首先通过数值方法得到了不同初始条件下激波诱导R22气柱的Kelvin-Helmholtz (KH)及Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性导致的重气柱变形过程,并详细讨论了不同情况下透射激波在气柱内聚焦诱导射流的过程;然后在加入磁场的情况下,采用CTU+CT算法进行数值模拟,以保证数值结果满足任意时刻磁场的散度为零。计算结果表明:磁场对激波诱导R22气柱不稳定性具有抑制作用;法向磁场和流向磁场都可以很好地抑制RM不稳定性;对于KH不稳定性,法向磁场的控制效果更好,不仅可以抑制界面上涡串的卷起,还可以阻止主涡的发展,而流向磁场做不到后者;磁场对射流影响不大,射流处的磁能量可以一定程度上抑制射流的衰减,同时法向磁场可以减小聚焦时压力及速度峰值。