高阶谱元区域分解算法及其在流动稳定性中的应用

以无时间分裂误差的区域分解Stokes谱元算法为基础构建整体稳定性分析方法.用Jacobian-free的Inexact-Newton-Krylov算法求解不可压缩Navier-Stokes方程的定常解,将Stokes算法的时间推进步作为Newton迭代的预处理,在此基础上采用Arnoldi方法计算大规模特征值问题,对复杂流动进行稳定性分析,该方法能统一处理定常和非定常计算,没有时间分裂误差,无需显式构造Jacobian矩阵,可以减少内存使用,降低计算量,并加速迭代收敛.对有分析解的Kovasznay流动的计算表明,高阶谱元法具有指数收敛的谱精度.对亚临界方腔对称驱动流的各种定常解的计算及其稳定性分析验证了方法的可行性.     

单模大扰动的Richtmyer-Meshkov不稳定性

采用高精度的多介质Ghost-Fluid方法,对马赫数为1.15的激波分别作用于单模大扰动Air-CO2、Air-SF6、Air-N2和Air-He界面后的Richtmyer-Meshkov不稳定现象进行了数值研究,得到了不同时刻扰动界面的演化图像,给出了流场的密度等值线和密度纹影图,同实验结果吻合较好。给出了界面的扰动增长随时间变化的情况,并同理论模型进行了对比。对激波从轻气体进入重气体的情况,扰动增长可采用Sadot模型描述线性阶段和早期非线性阶段;对于弱激波同密度接近的气体界面的相互作用,线性阶段时间较长,可用线性模型描述。     

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为避免用四阶紧致格式求解泊松方程所具有编程复杂和难以实现的困难,对 传统的五点二阶中心差分格式进行改进;通过增加对残差的校正计算,提出了一种新型具有 四阶精度的两步预估校正格式. 新格式虽需要增加一定的计算量,但它的格式精度高,边界 条件处理极简单,易于编程实现. 通过数值实验,结果证明上述格式的确具有易于编程和计 算精度高的优点. 预估校正格式很容易推广到其他复杂情形.     

高密度比多介质可压缩流动的PPM方法

介绍一种基于流体体积分数模型的界面捕捉方法,数值模拟高密度比及含强激波的多介质可压缩流动.将PPM方法应用到多介质体积分数形式的Euler方程组,用双波近似求解一般刚性气体状态方程Riemann问题,可方便处理界面强剪切的滑移线问题,并给出了水下激波和气泡相互作用以及多相Richtmyer Meshkov不稳定性的计算结果.     

一维多介质可压缩流动数值方法

应用高精度界面追踪方法计算一般状态方程的多介质可压缩流动问题;应用LevelSet技术捕捉界面位置,在界面附近采用守恒数值离散,用双波近似求解一般状态方程Riemann问题,并采用统一高阶PPM格式进行内点和交界面点的计算.一维算例表明,该方法对于光滑区域以及多介质交界面具有二阶精度,能准确地模拟交界面的位置,交界面计算无数值振荡和数值耗散,并能处理一般状态方程的多介质可压缩流动问题.     

Axisymmetry Breaking to Travelling Waves in the Cylinder with Partially Heated Sidewall

The transition from an axisymmetric stationary flow to three-dimensional time-dependent flows is carefully studied in a vertical cylinder partially heated from the side, with the aspect ratio A = 2 and Prandtl number Pτ=0.021. The flow develops from the steady toroidal pattern beyond the first instability threshold, breaks the axisymmetric state at a Rayleigh number near 2000, and transits to standing or travelling azimuthal waves. A new result is observed that a slightly unstable flow pattern of standing waves exists and will transit to stable travelling waves after a long time evolution. The onset of oscillations is associated with a supercritical Hopf bifurcation in a system with O（2） symmetry.     

稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律

气体相与颗粒相混合流场的声速研究, 由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景, 逐渐受到人们重视. 针对稠密可压缩气粒两相流动, 综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用, 推导给出了新的等熵声速计算公式; 新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例, 一方面验证了公式推导的正确性, 另一方面说明新公式更具有通用性; 分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律, 相应结果与普朗特的理论分析符合, 特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识; 开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析, 揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理. 本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.     

Onset of Unsteady Horizontal Convection in Rectangular Tank at Pr=1

The horizontal convection within a rectangular tank is numerically simulated. The flow is found to be unsteady at high Rayleigh numbers. There is a Hopf bifurcation of Ra from steady solutions to periodic solutions, and the critical Rayleigh number Rac is obtained to be Rac = 5.5377×10^8 for the middle plume forcing at Pr = 1, which is much larger than the value previously obtained. In addition, the unstable perturbations are always generated from the central jet, which implies that the onset of instability is due to velocity shear （shear instability） other than thermally dynamics （thermal instability）. Finally, Paparella and Young＇s first hypotheses [J. Fluid Mech. 466 （2002） 205] about the destabilization of the flow is numerically proven, i.e. the middle plume forcing can lead to a destabilization of the flow.     

三维可压缩绕球流的整体线性稳定性研究

研究基于三维可压缩Navier-Stokes方程拟线化方法的整体稳定性问题的数值求解,采用隐式重启的Arnoldi方法求解其特征值问题.针对三维可压缩绕球基本流,研究其在亚临界参数Reynolds数Re=200,马赫数M=0.2,以及超临界参数Re=300,M=0.6下的整体稳定性问题.结果表明,Mach数的增加(直至M=0.6)对流场模态的转变没有定性影响.