气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

反射激波作用重气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

采用高速摄影结合激光片光源技术,研究了反射激波冲击空气环境中重气体(SF₆)气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性。通过在横式激波管试验段采用可移动反射端壁获得不同反射距离,实现了反射激波在不同时刻二次冲击处于演化中后期的气柱界面,得到了不同的界面演化规律。反射距离较小时,斜压机制对气柱界面形态演化的影响显著,界面衍生出二次涡对结构;反射距离较大时,压力扰动机制的影响显著,界面在流向上被明显地压缩,没有形成明显的涡结构。由气柱界面形态的时间演化图像得到了界面位置和整体尺度随时间的变化,对反射激波作用后气柱界面的演化进行了量化分析。     

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.     

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.     

绕射激波和反射激波作用下N_2/SF_6界面R-M不稳定性实验研究

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的(Richmyer--Meshkov,R--M)不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

EXPERIMENTALLY STUDY OF THE RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY AT N2/SF6 FLAT INTERFACES BY DIFFRACTED INCIDENT SHOCK WAVES AND RESHOCK

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N₂/SF₆平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的（Richmyer-Meshkov,R-M）不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的“尖钉”和“气泡”结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

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.     

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。     

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.      

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

A holographic interferometric study of shock wave focusing in a circular reflector

A holographic interferometric study was made of the focusing of reflected shock waves from a circular reflector. A diaphragmless shock tube was used for incident shock Mach numbers ranging from 1.03 to 1.74. Hence, the process of reflected shock wave focusing was quantitatively observed. It is found that a converging shock wave along the curved wall undergoes an unsteady evolution of mach reflection and its focusing is, therefore, subject to the evolution of the process of shock wave reflections. The collision of triple points terminates the focusing process at the geometrical focus. In order to interprete quantitatively these interferograms, a numerical simulation using an Eulerian solver combined with adaptive unstructured grids was carried out. It is found numerically that the highest density appears immediately after the triple point collision. This implies that the final stage of focusing is mainly determined by the interaction between shock waves and vortices. The interaction of finite strength shock waves, hence, prevents a curved shock wave from creating the infinite increase of density or pressure at a focal point which is otherwise predicted by the linear acoustic theory.     

Visualization of droplet merging in microchannels using micro-PIV

Flow visualization via micro-PIV has been conducted in order to investigate droplet-merging processes in microchannels. The dispersed-phase droplets seeded with 1-μm fluorescent particles are alternately generated in the cross-channel and merged downstream in a straight channel or in a divergent channel. Since droplet merging occurs within a millisecond, a high-speed camera capable of 6,000 fps is used to capture the images of the droplets and the tracer particles therein by observing through a 40× lens. These images reveal that droplets merge through a sequential process of attachment, drainage, interface coalescence, penetration or envelopment depending on the channel geometry. In the straight channel, where the droplets are confined by the channel walls, the rear droplet penetrates the front droplet at the instant of coalescence. However, when the droplets merge in the divergent channel, a strong vortex motion occurs while the rear droplet envelops the front one.     

Numerical investigation of unsteady shock waves in vapor-gas-droplet mixtures

The results of mathematical modeling of the evolution of unsteady shock waves in two-phase mixtures of inert gas, vapor and suspended liquid droplets with allowance for dynamic, thermal and mass phase interaction processes are presented. The influence of interphase mass transfer effects (droplet breakdown and evaporation, vapor condensation) on the structure of unsteady shock waves in vapor-gas-droplet mixtures is analyzed. The important influence of phase mass transfer and, in particular, droplet breakdown as a result of surface layer stripping by the gas flow on the distribution of the parameters of the carrier and dispersed components of the mixture behind the shock front is demonstrated. The effect of the principal governing parameters of the two-phase mixture on the unsteady shock wave propagation process is analyzed.Translated from Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No.4, pp. 67–75, July–August, 1992.     

激波诱导火焰变形、混合和燃烧的数值研究

为了深入研究激波诱导的火焰变形以及由此带来的混合和燃烧变化特性,采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高网格分辨率,对平面入射激波及其反射激波诱导球形火焰变形的现象进行了二维数值研究,计算结果与实验结果较好吻合。研究结果显示,在反射激波作用前,火焰的变形和皱褶主要受入射激波诱导等物理过程影响;而在反射激波与失稳火焰作用后,燃烧放热率、火焰有效面积和界面长度均迅速增加,控制火焰变形的机制逐渐向化学反应(燃烧)过程过渡;在失稳火焰发展的后期,增强的燃烧过程能够削弱火焰界面的皱褶,进而抑制未燃气和可燃气的混合。由此可以得出结论,激波诱导的火焰界面通过变形可促进界面两侧未燃气与可燃气的混合,进而强化燃烧过程,但燃烧的增强却反过来能抑制混合;认识两者之间的关系有助于利用或控制激波 火焰相互作用过程。     

A three-dimensional numerical study on instability of sinusoidal flame induced by multiple shock waves

The instabilities of a three-dimensional sinusoidally premixed flame induced by an incident shock wave with Mach = 1.7 and its reshock waves were studied by using the Navier–Stokes(NS) equations with a single-step chemical reaction and a high resolution, 9th-order weighted essentially non-oscillatory scheme. The computational results were validated by the grid independence test and the experimental results in the literature. The computational results show that after the passage of incident shock wave the flame interface develops in symmetric structure accompanied by large-scale transverse vortex structures. After the interactions by successive reshock waves, the flame interface is gradually destabilized and broken up, and the large-scale vortex structures are gradually transformed into small-scale vortex structures. The small-scale vortices tend to be isotropic later.The results also reveal that the evolution of the flame interface is affected by both mixing process and chemical reaction. In order to identify the relationship between the mixing and the chemical reaction, a dimensionless parameter, η, that is defined as the ratio of mixing time scale to chemical reaction time scale, is introduced. It is found that at each interaction stage the effect of chemical reaction is enhanced with time.The enhanced effect of chemical reaction at the interaction stage by incident shock wave is greater than that at the interaction stages by reshock waves. The result suggests that the parameter η can reasonably character the features of flame interface development induced by the multiple shock waves.     

液滴对爆炸冲击波的衰减作用

为分析液滴对舰船舱内爆炸冲击波的耗散与衰减作用,通过有限元分析方法,建立冲击波作用于不同尺寸单个液滴和多排液滴的模型,分析冲击波与单个及多个液滴的作用过程及液滴形态变化,对冲击波衰减规律进行分析总结。得到结论如下:单个液滴模型中,小液滴破碎更迅速,破碎的规律性强;大液滴抛撒现象发生较早,抛撒出的小液滴数目多,但整体变化规律性偏差;不同尺寸单个液滴对冲击波有一定的衰减作用,衰减率随液滴尺寸增大而增大,线性规律较明显;成排液滴对冲击波有明显的衰减作用,相同液滴密度下衰减率随着液滴数量的增多而增大,呈现明显的线性特性。     

激波诱导环形SF6气柱演化的机理

基于可压缩多组分Navier-Stokes控制方程,结合5阶加权本质无振荡格式以及网格自适应加密技术和level-set方法,数值模拟了平面激波(Ma=1.23)与环形SF₆气柱(内外半径分别为8和17.5 mm)界面的相互作用过程。相比于之前的实验结果,数值模拟结果揭示了入射激波在界面内4次透射过程中的复杂波系结构,观察到透射激波在内部界面传播时形成自由前导折射结构并向自由前导冯诺依曼折射结构转换的波系演变过程;另外,界面内的复杂激波结构诱导内部下游界面上的涡量发生了3次反向;在界面演化后期,内部界面形成的“射流”结构与下游界面相互作用,诱导界面形成一对主涡、一对次级涡以及一个反向“射流”结构。定量分析了环形界面长度、宽度、位移、环量以及混合率的变化情况,结果表明,内部气柱的存在减弱了前期小涡结构合并形成大涡结构过程中对界面高度与长度的影响,同时提高了重质气体与环境气体的混合率。     

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.     

Study of the impacts of droplets deposited from the gas core onto a gas-sheared liquid film

The results of an experimental study on droplet impactions in the flow of a gas-sheared liquid film are presented. In contrast to most similar studies, the impacting droplets were entrained from film surface by the gas stream. The measurements provide film thickness data, resolved in both longitudinal and transverse coordinates and in time together with the images of droplets above the interface and images of gas bubbles entrapped by liquid film. The parameters of impacting droplets were measured together with the local liquid film thickness. Two main scenarios of droplet-film interaction, based on type of film perturbation, are identified; the parameter identifying which scenario occurs is identified as the angle of impingement. At large angles an asymmetric crater appears on film surface; at shallow angles a long, narrow furrow appears. The most significant difference between the two scenarios is related to possible impact outcome: craters may lead to creation secondary droplets, whereas furrows are accompanied by entrapment of gas bubbles into the liquid film. In addition, occurrence of partial survival of impacting droplet is reported.