超音速混合层稳定性分析及增强混合的研究

利用流动稳定性提高超音速混合层的混合效率,对于提高超音速流的高效混合是一个有效途径。研究结果表明,有展向曲率的三维混合层中,三维扰动的增长率很大,且法向的掺混能力也较强,可以有效地增强混合。对于高马赫数来流的超音速混合层,这一特性依然存在,这将有利于提高高超音速混合层的混合能力。     

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.      

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.     

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.      

等热流密度加热垂直下降液膜的研究

利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明，模型方程在小到中等Reynolds数下都适用，并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加，展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加，随着Reynolds数增加而减小，流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明，在等热流密度加热条件下，液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构，液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强；在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强，液膜会提前破裂；在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时，液膜的换热会增强，但不会提前破裂；在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时，换热会加强且液膜会提前破裂。     

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     

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.     

等热流密度加热垂直下降液膜的研究

利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明,模型方程在小到中等Reynolds数下都适用,并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加,展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加,随着Reynolds数增加而减小,流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明,在等热流密度加热条件下,液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构,液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强;在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强,液膜会提前破裂;在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时,液膜的换热会增强,但不会提前破裂;在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时,换热会加强且液膜会提前破裂。     

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管，在马赫数分别为$M=1.5$和1.7的条件下实验研究了气/液界面 上(即Atwood数$A$接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象. 得到 了气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线 性关系的结果，即$h \propto t$. 比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况，发现当 马赫数增加时，同一时间混合区域 宽度随之增加，混合区域宽度增长变快；而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人 为干扰界面), 当界面初始扰动获得随机外界干扰时，界面混合区域具有较大的宽度以及增 长速度. 并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性，流体混合程度更为剧烈.     

超声速尾涡的稳定性分析

从Ｎ－Ｓ方程出发,通过正则模方法,研究了超声速尾涡的绝对／对流不稳定性性质．计算了流动的稳定性特征随马赫数Ｍ,周向波数ｎ．,轴向自由流速度Ｗ０和旋转度ｑ等流动参数的变化规律,找到了绝对／对流不稳定区域的边界．通过比较发现,马赫数的增加使流动由绝对不稳定向对流不稳定乃至稳定转化．在所计算的参数范围,周向波数的增加加速了这一转化过程,而且,轴向速度的增加,同样使流动向着稳定的方向转化．同时还分析了不同旋拧程度的流动受可压缩影响的不同．这些结果对于了解旋拧流动稳定性的物理机理以及进行流动控制都有着重要意义．     

时间发展平面混合流的三维演化

采用高精度差分方法和群速度控制方法，求解三维可压缩Ｎ Ｓ方程，直接数值模拟了时间发展的平面混合流．研究了平面混合流三维拟序结构的形成及发展．给出了流动失稳后涡的卷起，相邻两涡的对并，激波的形成及发展．指出，涡对并所诱导产生的激波对三维拟序结构的形成及发展过程是重要的．     

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．     

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。     

Study of a Mixing Layer Formed by a Supersonic Main Stream of Air and a Co-Flowing Supersonic Helium Jet

The development of large-scale organised motions in a compressible mixing layer is studied experimentally using holographic interferometry, pressure and turbulence measurements. The mixing layer was formed behind the base of a parallel strut with a Mach 2 air main stream and a co-flowing two-dimensional slot jet (aspect ratio = 45) of helium at a Mach number of 1.2. The mixing layer exhibited highly organised vortical structures which were elongated and inclined approximately 45–50° to the flow direction. The mixing layer showed a linear growth and the mean velocity data indicated self-similar behaviour at sufficiently downstream distances. The results have shown that the thickness of the primary boundary layer has a strong influence on the growth and structure of the mixing layer. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Effect of suspended solid particles on unstability of two-dimension mixing layer

I.Intr0ducti0nThereexistsalargenumberofmixinglayernowswithsuspendedparticlesinindustryandagriculture,suchasintheburningcourseofc0alpowderandpowderyfuelandinthemixingcourseofpowderymaterials.Bytheoriticalandexperimenta1researches,wecanlearntheinteractionbe…