内聚锥形激波的非均匀强化与结构演变特征

以高超声速内转式进气道流动中的激波汇聚问题为背景,考虑工程实际中的来流和壁面几何条件这两个关键因素,分别提出了以来流攻角为研究参数的非轴向来流内锥流动模型,和以长/短轴比为研究参数的椭圆入口内锥流动模型.采用激波风洞实验观测和数值模拟相结合的方法,揭示了两类流动中激波的非均匀汇聚特征.结果表明:由来流攻角引起的激波初始沿周向强度分布的不均匀性会在汇聚过程中被放大,迎风面和背风面的激波差异不断加剧;来流攻角越大,初始激波强度不均匀性越强,在汇聚过程中激波面越容易出现不连续的拐折,且出现拐折后激波的汇聚效应会被削弱.由椭圆入口形成的等强度激波在初始时周向的几何不均匀性使激波在汇聚过程中出现沿长/短轴方向的强度差异,激波沿长轴方向上的强度增加更迅速;椭圆长/短轴比越大,激波初始几何不均匀性越强,在汇聚过程中长/短轴两个方向激波强度差异凸显得越快,波面越容易出现不连续的拐折,进而削弱激波的汇聚.在偏离轴对称达到一定程度时,这两种条件下的激波汇聚都会出现汇聚中心处从Mach反射向规则反射的转变.      

收缩楔腔内激波汇聚诱导点火实验

文章提出了一种采用圆柱形汇聚激波实现可燃气体点火特性研究的新方法.通过采用激波动力学理论合理地设计壁面型线, 将激波管中产生的平面运动激波近乎连续地转变为扇形区内圆柱形汇聚激波.以氢氧预混气体为考察对象, 开展了相关激波管实验, 实现了可控圆柱面激波汇聚诱导点火.实验发现两种点火现象:强点火和弱点火.在强点火过程中, 点火由入射激波直接诱导产生; 而在弱点火过程中, 点火则是在波后气流经历热压缩过程后发生.      

使用时间插值的特征线法在光滑粒子法拉氏边界条件中的应用

在计算流体动力学的实际应用中无反射边界条件是一个重要的研究课题. 文中应用时间插值的特征线方法构造了一种新式的拉氏边界条件,并应用在光滑粒子法中. 该方法与使用特征线方法的欧拉边界条件方法相比,不需要区分超声速和亚声速流的不同,并且在入流和出流中具有相同的形式,因而更加简便易行. 数值结果表明,采用时间插值特征线法的拉氏边界条件方法在稀疏波、激波以及爆轰波的模拟中都能够得到较好的无反射效果.      

狭长直管约束条件水下电爆炸所产生的气泡运动和界面射流

以高速摄影为主要手段,揭示直管中爆炸诱导气泡和射流的典型演变过程,并测试爆炸深度和爆炸能量对该现象的影响。研究发现直管中爆炸诱导的表面射流分为光滑和粗糙的两段,这区别于自由表面射流的形态;爆炸气泡的发展经历一个先膨胀再坍缩的过程,其中封闭坍缩以气泡顶部形成内向射流为特征。表面射流速度主要来自爆炸早期短时间内气泡膨胀赋予水体的冲量,且整体上与起爆能量成正相关,而与爆炸深度成反相关;用准一维的简化模型能够很好地描述它们之间的依赖关系,计算结果不仅在趋势上与实验结果一致,数值上也能很好吻合。     

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.     

由成核率数据拟合饱和蒸汽压力

Saturated vapor pressure was calculated from the nucleation experimental data using the thermodynamically consistent nucleation theory in which the effect of real gas is considered. The cubic polynomial fit equations of saturation pressure for several substances were obtained based on the calculation. The results of the calculations were compared to those of thermodynamic equilibrium equation and the empirical equation and applied to the predictions of the classical nucleation theory. The results show that the saturation pressures estimated from the nucleation data agree fairly well with those of empirical equations for the substances investigated, and this indicates that the predictions from the classical nucleation theory are close to the experimental data.     

两种不同气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变

对2C2H2 5O2及2C2H2 5O2 80%Ar两种可燃混合气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变过程进行实验研究.高速爆燃波由孔栅干涉爆轰波的方法直接生成,观测手段则以高速转鼓摄影获取孔栅近场流场x-t纹影图,以传感器追踪波面的后继发展.研究发现,两种气体中的爆燃波具有迥异的特性.前者燃烧波面在较低初压条件下为层流结构,而较高初压下为湍流结构,向爆轰转变点可以延伸至下游较长距离;后者在不同初压条件下燃烧波面无明显差异,爆轰的再次形成只能在孔栅下游近场内建立.两种气体中高速爆燃波的维持和爆轰转变过程均非纯粹激波压缩所致,湍流输运在其中起着必不可少的作用.分析显示,激波压缩效应对纯氧炔气体的高速爆燃和DDT贡献较小,湍流输运占主导地位;而氩气稀释气体较为稳定,缺乏自行衍生剧烈湍流燃烧的能力,因而激波压缩和外界扰动对其高速爆燃传播和爆轰转变起十分重要的作用.     

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

激波诱导高速气流中液滴的初期变形

基于激波管平台和高速摄影方法对平面激波诱导高速气流中液滴的早期变形现象进行实验研究。研究发现在相近的We数或Re数下,实验参数的改变可导致液滴形态发展出现显著差异。这种差异主要体现在背风面的脊状环形突起、褶皱区以及后驻点区的凹凸形态。对刚性圆球外流的数值模拟显示,液滴变形早期形态与外流场结构和表面气动力分布之间存在鲜明的对应关系。最后采用简化理论推导出一组估测液滴早期变形的表达式。将数值模拟所得气动力数据代入计算发现:导致液滴变形的主要驱动力是液滴表面不均匀压力的挤压效应,而不是界面剪切摩擦所引起的切向流动堆积效应,前者高出后者约2个数量级;此外,采用压力作用理论计算所得液滴外形在主要变形特征和变形量级上均可与实验图像很好地吻合。