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。     

球形气泡实验中肥皂膜运动特性的初步探讨

肥皂膜是激波加载球形气泡的实验研究工作中分隔不同气体的材料,它在激波加栽下的运动发展特征在已有工作中并未受到关注。本文对弱激波加栽球形气泡实验中肥皂膜的运动特性的分析认为,在肥皂膜的运动中存在着由激波和波后气流驱动导致的聚能射流运动现象,并用相关的实验结果进行了验证。由于肥皂膜的这种运动特性,在理论、实验和数值模拟研究中不应忽视它对球形气泡演化发展的影响。     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

气体速度对液膜在预膜板表面流动形态影响的LBM模拟

为了探究气流剪切作用对航空燃油在气动雾化喷嘴预膜板上流动形态的影响,首先对基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型进行修正,并通过经典算例验证了修正后模型的准确性和可靠性.随后利用该模型模拟了同向气流驱动下液膜在水平预膜板表面上的流动,分析了气流速度对液膜流动形态的影响规律.研究表明,该模型可准确追踪具有大密度比的气液相界面的形态变化;气液剪切速度差会诱发两相界面出现Kelvin-Helm-holtz不稳定性现象,因而当气体速度升高时,气液剪切速度差增大,不仅液膜流动速度随之增高,且在铺展阶段液膜会产生较高振幅的波浪面并加快铺展过程,自由表面波动增强.     

基于卷积神经网络的钝体尾迹识别研究

针对相同特征长度不同钝体的尾迹结构相近,肉眼难于分辨的问题,提出了一种基于卷积神经网络的钝体尾迹识别方法,并在竖直肥皂膜水洞的典型钝体模型尾迹实验中获得高准确率验证.实验平台由自建竖直肥皂膜实验装置、钝体模型(方柱、圆柱和三角柱)及图像采集系统组成,可基于光学干涉法实现对不同速度下钝体肥皂膜尾迹的高清持续拍摄.所建立卷...     

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.      

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景.利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征.实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致.分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的"钉扎"作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦"钉扎"作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.     

微管中非混溶两种流体运动界面的特征

以平流泵为压力源,在不同管径的石英微管中进行流动试验,显微镜观察和拍摄水-气界面和油-水界面,在微米尺度下进行了不同流速的运动界面实验,研究了微管中非混溶两种流体运动界面的特征,以及润湿性对流体在微管中流动界面的影响.实验中观察到了润湿界面的滞后现象,即界面随流速的不同而改变的现象.实验结果表明:水在微管中流动的气液界面随着流速的不同形状发生改变,流速较小时,界面基本保持为凹液面;随着流速的增加,液面由凹液面向平液面发展,进而发展为凸液面.在表面张力的作用下,微管的尺寸越小,两种流体的性质差别越大,界面的润湿滞后现象越不明显,讨论了界面和润湿滞后存在的问题和可能的应用.     

管内液膜流动失稳现象的直接数值模拟

为分析液膜流动时垂直液膜的重力加速度分量和表面张力对扰动波振幅的影响,通过FTM模拟了液膜在重力作用下流动失稳过程。结果表明:重力分量和表面张力系数越大,扰动振幅衰减得越快;并且表面张力系数越小,扰动振幅波动的频率越高。此外还分析了促进液膜流动失稳的两个因素,即密度比和雷诺数Re。当增大密度比时,液膜会出现两种极端的变化:一种是液膜不再完全覆盖底面,会形成锲状液膜,随着速度变大和振幅脉动,当锲状液膜前锋出现新的扰动波时,新的扰动会与初始扰动发生干涉产生二次波动;另一种是增加密度比时,液膜将会在剪切力的作用下产生飞脱的现象,在Re数较大时,液膜流动失稳会在剪切力的作用下产生K-H(开尔文-赫姆霍兹)不稳定性,且初始扰动对形成开尔文-赫姆霍兹波浪具有诱导作用。     

管内搅拌流传热模型及实验研究

基于搅拌流压力波动特性及搅拌流与环状流的相似性,假设搅拌流也分为近壁液膜区和气体核心区两部分,但是两区界面呈三角函数波动;在此基础上,根据传热学基本理论首次建立了搅拌流传热模型,并给出了模型中所需参数的计算方法,从理论上解决了搅拌流温度场的计算问题;为进一步研究搅拌流传热特点,进行了大量室内搅拌流传热实验。对比实验结果表明:本文建立的传热模型得到的对流换热系数计算值与实验值的总体误差在±10%以内,大部分在±5%以内,模型准确度较高,且计算值的变化规律与实验值相符合;本模型与均相和分相搅拌流传热模型相比更接近实际流动。另外,通过实验研究了液体流量和气体流量对对流换热的影响规律,结果表明由于搅拌流独特的流动结构,液体流量和气体流量均对搅拌流对流换热的影响不大,在实际工程运算中可以忽略这两种因素的影响。     

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.      

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.      

Stability of converging cylindrical shock waves

An experimental and numerical study was made of converging cylindrical shock waves. The goal of the present study was to clarify the movement and instability of the converging cylindrical shock waves. Experiments were conducted in an annular shock tube of 230 mm o.d. and 210 mm i.d. connected to a cylindrical test section of 210 mm diameter. Double exposure holographic interferometry was used to visualize the converging cylindrical shock waves. Incident shock Mach numbers ranged between 1.1 and 2.0 in air. A numerical simulation was conducted using the TVD finite difference scheme. It was found in the experiments that although the initial shock wave configuration looked cylindrical, it was gradually deformed with propagation towards the center and finally showed mode-four instability. This is attributable to the existence of initial disturbances which were introduced by the struts which supported the inner tube of the annular shock tube. This trend was significant for stronger shock waves indicating that at the last stage of shock wave convergence the initial perturbations of the converging cylindrical shock wave were amplified to form the triple point of Mach reflection. The numerical results correctly predicted the experimental trend.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.     

Experimental study of toroidal shock wave focusing in a compact vertical annular diaphragmless shock tube

The paper reports results of experiments regarding toroidal shock wave focusing in a vertical shock tube as a part of a series of converging shock wave studies. This compact vertical shock tube was designed to achieve a high degree of reproducibility with minimum shock formation distance by adopting a diaphragmless operating system. The shock tube was manufactured in the Institute of Fluid Science, Tohoku University. An aspheric lens shaped cylindrical test section was connected at the open end of the shock tube to visualize the diffraction and focusing of the toroidal shock wave released from the ring shaped shock tube opening. Pressure transducers were flush mounted on the shock tube’s test section to measure pressure histories at the converging test section. Double exposure holographic interferometry was employed to quantitatively visualize the shock waves. The whole sequence of toroidal shock wave diffraction, focusing, and its reflection from the symmetrical axis were successfully studied. The transition of reflected shock waves was observed.     

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.     

An experimental investigation of the stability of converging cylindrical shock waves in air

An experimental study was made of the stability of converging cylindrical shock waves. The experiments were conducted on annular shock tubes equipped with a double exposure holographic interferometer in the Stoßwellenlabor, RWTH Aachen, and in the Institute of High Speed Mechanics, Tohoku University, Sendai, for shock Mach numbers of 1.1 to 2.1 in air. By comparing these two different shock tube experiments, it is found that in the former facility the mode-three instability is predominant at the center of convergence, whereas the mode-four instability appears in the latter setup. The instabilities are denoted in this way because the shock and the flow field behind it reveal a remarkable triangular and quadrangular symmetry, respectively. It is concluded that the converging cylindrical shock wave is always unstable and sensitive to the structure of the annular shock tube. Usefulness of holographic interferometry to this kind of shock wave research is also demonstrated.To Prof. Dr. sq. techn. Dr.-Ing. e.h. Fritz Schultz-Grunow on the occasion of his 80th birthday     

柱形汇聚几何中内爆驱动金属界面不稳定性

采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序，对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为，进行了数值模拟研究。结果表明，首次冲击后至约12 μs，界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主；12 μs后至冲击波聚心反弹加载前，界面聚心运动处于加速减速状态，界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导；冲击波聚心反弹加载后，界面发展又由RM不稳定性主导。另外，还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示:初始振幅较大时振幅增长也较大；初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小，而且存在一个截止波长；钢壳厚度会抑制扰动增长，也存在一个截止厚度；几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。     

Controlling the form of strong converging shocks by means of disturbances

The influence of artificial disturbances on the behavior of strong converging cylindrical shocks is investigated experimentally and numerically. Ring-shaped shocks, generated in an annular cross sectional shock tube are transformed to converging cylindrical shocks in a thin cylindrical test section, mounted at the rear end of the shock tube. The converging cylindrical shocks are perturbed by small cylinders placed at different locations and in various patterns in the test section. Their influence on the shock convergence and reflection process is investigated. It is found that disturbances arranged in a symmetrical pattern will produce a symmetrical deformation of the converging shockfront. For example, a square formation produces a square-like shock and an octagon formation a shock with an octagonal front. This introduces an alternative way of tailoring the form of a converging shock, instead of using a specific form of a reflector boundary. The influence of disturbances arranged in non-symmetric patterns on the shape of the shockfront is also investigated.      

Shock–vortex interactions in a soap film

This work experimentally visualizes the interaction of a quasi-one-dimensional moving shock wave with a two-dimensional vortex in a soap film for the first time. A vertical soap film shock tube was used to generate a quasi-one-dimensional moving shock wave and a NACA-0012 airfoil intruded into the soap film was towed to shed the starting vortex. The interesting interaction phenomena were then visualized using a traditional high-speed flash photography. The concentration of sodium dodecyl sulfate (SDS) used was 0.5 CMC (critical micelle concentration) to keep the surfactant molecules behave as two-dimensional gases. A sequence of pictures shows that the shock is distorted non-symmetrically as it passes through the spiral vortex flow field and the vortex structure is compressed in the direction normal to the shock. These flow features observed in soap films are qualitatively similar to their counterparts in gases. In addition, the visualization of the interactions of a quasi-one-dimensional moving shock wave with a Kármán vortex street are presented.