不同磁场构型下Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF_6射流穿过下游界面;有磁场时,界面光滑无涡串.其中,横向磁场下界面更光滑, SF_6射流不再穿过界面.此外,由于Richtmyer-Meshkov不稳定性的作用,磁力线在气柱界面发生扭曲,且上游界面处磁力线扭曲程度更大,产生强洛伦兹力,使涡量分层明显;下游界面处,纵向磁场产生的洛伦兹力较横向磁场更小,涡层之间相互干扰.最后,本文将动态模态分解用于界面不稳定性研究,发现:磁场作用下界面仍存在小涡,且纵向磁场下扰动更多.第一模态的稳定涡结构能反映主要流场信息,第二到第四模态下的小涡频率依次增加,且无磁场、纵向和横向磁场的同一模态下,小涡频率依次减小.因而磁场能抑制小涡频率,且横向磁场抑制效果更好.     

激波在不同三角楔面内传播特性的数值研究

激波在收缩管内的反射与聚焦会形成高温高压区，点燃可燃混合气并诱导爆轰，因此对爆轰发动机的点火具有重要意义。本文基于二维N-S方程，结合五阶WENO格式，对马赫数为6的正激波在三角形楔面内的反射与聚焦现象进行了数值研究。结果表明，楔面顶角的变化对激波的反射类型以及聚焦均有明显的影响:随着顶角的增加，激波的反射类型从马赫反射向过渡马赫反射和双马赫反射转变，且壁面上的前向射流更加明显；三波点第一次碰撞产生的高温高压区足够满足可燃混合气体的点火条件，且其温度与压力值随顶角的增加而增大；当激波在楔面上发生临界双马赫反射时，温度与压力达到最大；当顶角增加到一定值时，激波在楔面反射转变为常规反射，不会产生激波对碰，因而没有高温高压区。     

不同初始磁场对激波冲击R22重气柱过程影响的数值模拟

基于磁流体动力(magneto-hydrodynamic，MHD)方程，采用CTU+CT方法，对在不同初始磁场作用下的平面入射激波与磁化R22重质气柱作用过程进行了数值研究。数值结果清晰地描述了不同初始磁场条件时激波诱导R22气柱界面不稳定性的过程，揭示了磁场控制界面不稳定性的机理。另外，还分析了磁感应强度对界面不稳定性的影响，发现在磁场较小时，涡层附着于界面，但随着磁感应强度的增大，平均涡量随之增大，涡层与界面逐渐分离，最终更好地抑制了界面不稳定性。同时，还发现平均涡度拟能随着磁感应强度的增大而减小，而垂直磁场比平行磁场更能降低平均涡度拟能，因而平均涡度拟能可较好地反映磁场对不稳定性的影响效果。     

磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究

本文基于磁流体动力学方程组，在保证磁场散度为零的条件下，采用CTU+CT（corner transport upwind+constrained transport）算法，对有无磁场控制下激波与重质或轻质三角形气柱相互作用过程进行数值研究.结果表明：无论有无磁场，两气柱在激波冲击下均具有完全不同的波系结构和射流现象.其中，入射激波与重气柱发生常规折射，形成介质射流，而与轻气柱作用则发生非常规折射，形成反相空气射流.无磁场时，气柱在激波冲击下，产生Richtmyer-Meshkov和Kelvin-Helmholtz不稳定性，界面出现次级涡序列，重气柱上下角卷起形成主涡对，轻气柱空气射流穿过下游界面后形成偶极子涡.施加横向磁场后，次级涡序列、主涡对以及偶极子涡均消失.进一步研究表明，在磁场作用下，洛伦兹力将不稳定性诱导产生的涡量向界面两侧的Alfvén波上输运，减少界面涡量沉积，抑制界面卷起失稳.最终，涡量沿界面两侧形成相互远离的涡层，界面不稳定性得到控制.此外，定量分析表明磁场能加快两气柱上游界面的运动，抑制下游界面的运动，且对轻气柱的控制效果更好.     

Schardin问题的数值研究

激波绕过三角楔(Schardin问题)时会产生激波马赫反射与绕射、 三角楔尾涡与涡串等复杂物理现象. 本文利用三阶精度加权基本无振荡(WENO)格式、 结构化矩形网格的自适应加密方法与沉浸边界法对Schardin问题进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波与三角楔相互作用, 在楔面发生马赫反射以及在楔角绕射诱导主涡的过程, 并与Schardin等的实验结果及相关数值结果完全符合. 另外, 数值结果还详细反映了先前实验与数值结果没有详细讨论的主涡滑移层上的涡串生成机理, 以及激波与涡串相互作用和产生声波的     

磁场对激波冲击R22重气柱作用过程影响的数值模拟

为研究平面入射激波与磁化R22重质圆形气柱的作用过程，首先通过数值方法得到了不同初始条件下激波诱导R22气柱的Kelvin-Helmholtz (KH)及Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性导致的重气柱变形过程，并详细讨论了不同情况下透射激波在气柱内聚焦诱导射流的过程；然后在加入磁场的情况下，采用CTU+CT算法进行数值模拟，以保证数值结果满足任意时刻磁场的散度为零。计算结果表明:磁场对激波诱导R22气柱不稳定性具有抑制作用；法向磁场和流向磁场都可以很好地抑制RM不稳定性；对于KH不稳定性，法向磁场的控制效果更好，不仅可以抑制界面上涡串的卷起，还可以阻止主涡的发展，而流向磁场做不到后者；磁场对射流影响不大，射流处的磁能量可以一定程度上抑制射流的衰减，同时法向磁场可以减小聚焦时压力及速度峰值。     

激波绕射碰撞加速诱导爆轰的数值模拟

基于单步化学反应的Euler方程和对激波(爆轰波)、接触间断具有良好捕捉效果的Roe/HLL混合格式以及自适应网格技术,模拟了激波在方形管中与方块障碍物相互作用,并发生绕射碰撞来诱导爆轰的过程.结果表明,弱激波在绕经方块时,形成上、下绕射激波并在方块尾部发生碰撞,生成局部高温高压点,可加快爆轰的形成;而当管内阻塞比超过...     

超声速平面混合层小激波的形成与演变

为了揭示超声速混合层中小激波形成机理及其与涡相互作用的演变过程，本文基于大涡模拟（LES）方法，结合五阶精度混合TCD／WENO格式，对超声速平面混合层在对流马赫数为Mc=0．65条件下的流场结构进行了数值模拟，数值结果详细描述了超声速混合层中小激波的形成过程。研究了小激波形成后，随涡运动而产生的变形、脱落及发展过程。同时，对混合层双涡合并过程中，小激波与相邻涡相互作用所产生的变形与演变过程进行了讨论。     

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.     

不同界面组分分布对Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.