多介质流体界面不稳定性程序

研制了二维多介质流体程序，主要包括单介质内高精度流体力学计算，多介质混合网格内各种介质输运过程和压力驰豫平衡过程计算、实际状态方程的黎曼解计算。流体计算分别采用高分辨两步PPM（Parabolic Piecewise Method）算法、TVD（Total Variation Diminishing）算法和FCT（Flux Corrected—Transport）算法，流体界面追踪采用VOF（Volume-of-Fluid）。数值求解可压缩多流体方程组和可压缩VOF方程。二维界面追踪分别采用一阶精度Youngs方法和二阶精度Elivira方法，三维界面追踪采用一阶精度Youngs方法，     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

在界面不稳定性实研究中，一个主要的难点是如何分隔不同流体介质并形成初始扰动，其中比较新颖的方法是利用乙炔和氧气的混合气体爆轰来驱动果冻内爆，由于果冻有足够强度抵抗重力引起的变形，无须任何膜来控制界面，同时果冻和爆轰产物都具有良好的透明性，易于观察界面扰动情况，廖海东等也做过类似实验，并获得了测试图像。     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

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.     

多模态RM不稳定性对初始扰动条件的依赖性分析北大核心CSCD

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT,对多次冲击作用下的三维多模态Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展及其对初始扰动条件的依赖性进行了数值模拟分析。湍流混合区宽度在初始冲击后以幂次律增长,在反射冲击后和第一次反射稀疏波作用后,以具有不同增长因子的指数规律增长,在第一次反射压缩波作用后近似以线性规律增长;而湍流混合区统计量则以类似的规律衰减。多模态RM不稳定性发展对初始扰动条件有很强的依赖性,主要体现在初始冲击后至反射冲击前和反射冲击后至第一次反射稀疏波作用前这两个阶段,即在第一次反射稀疏波作用后,湍流混合区的发展逐渐失去对初始扰动条件的记忆。     

激波诱导的液柱气液界面RM不稳定性的研究

为了进-步研究气/液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象,在水平激波管中进行了激波与单、双排液柱相互作用的实验.通过使用驱动气体为氮气、被驱动气体为空气,获得了马赫数为1.10与1.25的激波;通过更换不同尺寸的试件获得了初始直径不同的液柱。使用高速摄影仪记录了激波作用之后液柱失稳变形的详细过程,测量分析了不稳定性发展过程中,尖钉高度、气泡深度及混合区域宽度随时间的发展规律,并与理论分析中的公式进行了比较。     

激波与SF_6梯形气柱相互作用的数值模拟

基于大涡模拟,结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF_6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟,数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程,详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程,并研究了该过程中所产生的复杂波系结构,对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析;通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析。     

界面不稳定性数值模拟中的虚拟流动方法

研究了流体界面不稳定性的一类数值模拟方法——虚拟流动方法(Ghost Fluid Method).在算法中直接针对多维问题设定虚拟区域的流动参数,在流体力学方程的计算中采用了非分裂型的高分辨SCB格式,最后利用该方法完成了R-M和R-T不稳定性问题的数值计算,得到了满意的计算结果.     

流体界面不稳定性数值模拟中不同介质界面的处理方法

在界面不稳定性数值模拟中,以往的方法^〔1,4－8〕局限于密度不同的单种介质或绝热指数相同的两种介质问题,在计算绝热指数不同介质间的扰动时,界面上强制加入接触间断边界条件,从而避免了界面上数的非物理振荡,用三维程序TVD／AC对两种不同介质,在单波扰动下Rayleigh-Taylor不稳定性的发展进行了计算,得到了扰动随时间发展的图像。     

柱面内爆驱动金属界面不稳定性的数值模拟研究

对柱面爆轰驱动内壁刻有正弦扰动的金属钢壳与内部硅橡胶界面产生不稳定性问题进行数值模拟,计算结果与实验结果定性符合.与不考虑金属强度情况对比分析认为,未熔化状态下金属强度对不稳定性具有较强抑制作用,在某些加载条件下会使扰动增长率随扰动模数增加而减小.之后,对强度因素影响下内爆压缩驱动金属不稳定性问题的扰动发展规律进行了总结.在聚心反射波到达壳体之前,造成初始界面反转的RM不稳定性起主导作用,随着扰动模数增加扰动由呈近似线性发展到基本不发展变化,基本不变化后的扰动振幅也随模数增加而减小.聚心反射波作用到壳体内界面后,减速RT不稳定性作用明显增强,与强度等因素共同作用造成扰动呈明显非线性发展.无论是前期RM不稳定性主导阶段还是之后以减速RT不稳定性为主的扰动发展阶段,强度因素均能造成未熔化状态下金属不稳定性截止波长存在.     

斜界面Rayleigh-Taylor不稳定性混合实验研究

 实验研究了不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性湍流混合区的混合不对称性特征。利用高压气体加速装有不同液体的箱体,加速度方向由轻液体指向重液体,此时界面是R-T不稳定性的。利用阴影测试技术,研究了初始倾角9°的ZnCl₂溶液/正己烷斜界面的演化规律,得出混合区内混合不对称、斜界面倾角渐增的规律。     

激波作用下SF6气泡界面演化和射流发展的数值模拟

 数值研究了平面激波冲击氮气环境中SF₆气泡界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性,重点关注其中的激波聚焦及射流的产生和发展过程。在入射激波马赫数为1.23的情况下,给出了压力、密度、数值纹影和涡量等物理量的演化图像,定量分析了流场中压力最大值、密度最大值、射流速度、环量和斜压力矩随时间的变化关系。计算结果表明,平面激波冲击SF₆气泡过程有很强的聚能效应,在气泡内部靠近下游极点处发生激波近似理想聚焦和点爆炸现象,直接导致出现二次波系以及向下游运动的细长射流结构。相比入射激波,二次波系产生斜压力矩和涡量的能力要弱得多。     

The numerical study of shock-induced hydrodynamic instability and mixing

Based on multi-fluid volume fraction and piecewise parabolic method (PPM), a multi-viscosity-fluid hydrodynamic code MVPPM (Multi-Viscosity-Fluid Piecewise Parabolic Method) is developed and applied to the problems of shock-induced hydrodynamic interfacial instability and mixing. Simulations of gas/liquid interface instability show that the influences of initial perturbations on the fluid mixing zone (FMZ) growth are significant, especially at the late stages, while grids have only a slight effect on the FMZ width, when the interface is impulsively accelerated by a shock wave passing through it. A numerical study of the hydrodynamic interfacial instability and mixing of gaseous flows impacted by re-shocks is presented. It reveals that the numerical results are in good agreement with the experimental results and the mixing growth rate strongly depends on initial conditions. Ultimately, the jelly layer experiment relevant to the instability impacted by exploding is simulated. The shape of jelly interface, position of front face of jelly layer, crest and trough of perturbation versus time are given; their simulated results are in good agreement with experimental results.     

偏心对汇聚激波诱导的RM不稳定性影响的数值研究

数值研究汇聚激波与四种形状（圆形、小振幅单模、大振幅单模和正方形）的二维气柱界面相互作用,激波汇聚中心与界面同心和不同心（即偏心）时Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的发展规律,重点考察界面中心的压力及混合区面积在两种情况下随时间的变化.数值方法使用VAS2D程序,该方法采用有限体积法结合网格自适应技术,能够达到时间和空间的二阶精度.结果表明,偏心情况下RM不稳定性是其在同心情况下的扰动和偏心小扰动叠加的结果.在本文采用的偏心程度下（20%）,偏心对于圆形无扰动界面发展的影响主要表现在后期界面出现微小扰动结构;而对于单模和正方形这种原本有扰动的界面,偏心使扰动结构呈现不对称及扭曲,同时也影响了界面中心压力和混合区面积,因而加剧了不稳定性的发展.     

Rayleigh-Taylor不稳定性的Runge-Kutta间断有限元模拟

 采用发展后的间断有限元方法,对Rayleigh-Taylor不稳定性进行了数值模拟。在计算中采用Level-Set方法进行界面追踪,用虚拟流体方法（Ghost Fluid Method,GFM）对界面附近物理量进行等压装配。对两个典型的Rayleigh-Taylor不稳定性算例的数值研究结果表明,采用该方法计算含有接触间断的多介质流体力学问题是有效的,在交界面附近不出现伪振荡,具有较高的分辨率。     

一维爆轰波不稳定性的数值模拟

 对当量比为1的乙烷与空气的混合气体的一维爆轰不稳定问题进行数值模拟，得到了不同大小的网格对爆轰不稳定问题数值模拟结果的影响。网格大小Δx由从ZND模型分析得到的导引长度L_in确定，网格大小从0.2L_in变到0.002 5L_in。随着网格变细，没有得到振幅趋于一致的解，每一种网格尺寸得到的解的振幅都互不相同。当网格大小为Δx=0.01L_in、0.005L_in时，得到有规则的爆轰激波阵面压力的振荡，振荡的模式是峰值一大一小的振荡。网格更细时，爆轰波的振荡在计算范围内由一些有规则的振荡和一些较不规则的振荡组成。但爆轰激波阵面压力振荡的波长最后趋于一致，为91~93 mm，与实验得到的胞格长度88 mm很接近。     

垂直排液过程不稳定性的数值模拟

为分析线框排液实验中液膜表面出现的不稳定现象及其成因,针对含有不溶性活性剂的线框液膜排液过程,模拟液膜底部的不稳定现象,分析Marangoni效应、膨胀黏性和扰动波数因素的影响。结果表明：底部扰动在排液开始比较剧烈,而后快速减弱,到排液后期又逐渐增强。排液开始的扰动是由初始扰动引起,而排液后期的扰动与活性剂分布有关。较弱的Marangoni效应可增强表面扰动,而较强的Marangoni效应则减弱底部扰动,使液膜呈刚性,发生表面逆流现象;较高的膨胀黏性减慢液膜排液进程,降低表面速度,且能抑制Marangoni效应引起的逆流现象;波数较大的扰动使液膜在排液初期的扰动变强,但对排液后期的稳定性不产生影响。     

多束团不稳定性的模拟研究

利用模拟的方法研究了多束团不稳定性.SCBI程序(SIMULATION OF COUPLED-BUNCH INSTABILITIES)是一个用来模拟研究储存环上高频腔、真空盒内壁及其它腔形结构元件的长程尾场和中程尾场激发的多束团不稳定性的综合程序.在束团均匀分布情形下,比较了SCBI程序与ZAP程序的结果,两者非常一致.同时,利用SCBI程序对北京正负电子对撞机(BEPC)多束团改进方案(BEPCⅡ)的多束团不稳定性进行了详细的研究.     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.