“反尖端”界面不稳定性数值计算分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对"反尖端"界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。"反尖端"界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。     

R-T界面不稳定性及湍流混合的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究R-T(Rayleigh Taylor)不稳定性,显示了不稳定发展的小扰动阶段、变形阶段、规则非线性阶段、不规则非线性阶段和湍流混合阶段界面演化与特征,分析了湍流混合层厚度增长的规律,同时还研究了湍流二阶相关量如动量、质量和能量通量在大尺度和亚格子尺度所占分量,验证了LES方法是处理R-T界面不稳定性和湍流混合的一种有效方法.     

激光非均匀性对内界面变形影响的数值模拟

 使用LARED-S程序,参照NIF直接驱动DT点火靶,模拟研究了激光非均匀性对高收缩比球内爆内界面变形的影响。2维数值模拟计算表明：直接驱动高收缩比内爆对驱动激光非均匀性非常敏感,内界面流体不稳定性的发展严重破坏靶丸的对称压缩,使中心热斑的体积显著减小。以最大压缩时扰动增长幅度不超过热斑半径的1/3为限,模拟给出不同模数的低阶扰动模(模数小于等于12)对驱动激光均匀性的要求在2.5%～0.25%之间,其中模数在8～10之间的扰动模对激光功率均匀性的要求最严格,约为0.25%。     

激光非均匀性对内界面变形影响的数值模拟

使用LARED-S程序,参照NIF直接驱动DT点火靶,模拟研究了激光非均匀性对高收缩比球内爆内界面变形的影响。2维数值模拟计算表明：直接驱动高收缩比内爆对驱动激光非均匀性非常敏感,内界面流体不稳定性的发展严重破坏靶丸的对称压缩,使中心热斑的体积显著减小。以最大压缩时扰动增长幅度不超过热斑半径的1/3为限,模拟给出不同模数的低阶扰动模(模数小于等于12)对驱动激光均匀性的要求在2.5%～0.25%之间,其中模数在8～10之间的扰动模对激光功率均匀性的要求最严格,约为0.25%。     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

 采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1 mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。     

二维气/液界面不稳定性数值模拟

 以多介质的体积分数方法和三阶PPM（Piecewise Parabolic Method）方法为基础,给出了适用于多介质流体动力学数值模拟的计算方法和程序MFPPM。利用MFPPM程序对在高压气体冲击作用下的气体/液体交界面的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性及其引起的流体混合现象进行了数值模拟研究。主要研究在不同的初始扰动情况下流体混合区的发展,并细致研究了流体混合区的宽度、气泡和尖钉高度随时间的增长情况及不同初始扰动对它们的影响;同时还研究了网格尺度不同时混合区、气泡以及尖钉的构型和高度的增长情况。通过对计算结果的分析得出,流体混合区、气泡以及尖钉的发展与初始扰动有密切的关系,特别是在后期影响更为显著;混合区宽度的变化过程和尖钉相似,而气泡高度的变化基本上呈线性增长趋势,且受初始扰动的影响比较小,但是其构型却有明显差别;网格的影响也主要体现在对混合区、气泡和尖钉的构型上。     

圆柱界面不稳定性的多组分气体动理学数值计算

在假定单元内各组分同温同速的条件下,采用气体动理学格式(Gas-Kinetic Scheme,GKS)对空气/He和空气/R22圆柱界面不稳定性进行了数值计算,得到不同时刻的密度分布以及界面上特征位置的位移历史和平均速度。当激波穿过界面后,界面上特征位置的位移随时间逐渐增大,特征位置的平均速度与前人的实验结果和数值模拟结果吻合很好。对比结果表明,从微观气体运动角度出发的GKS方法对于界面不稳定性问题具有良好的模拟能力。     

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。     

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。     

Numerical Simulation of MHD Jet Flows

Liquid metal free surface flows （films, jets and droplets） are considered as diverter/ limiter system and first wall in fusion reactor, but the knowledge Of liquid metal free surface under a non-uniform magnetic field is very limited. In this article, the stability of a jet flow under a gradient magnetic field is investigated, and its MHD effects are the top concern. Based on numerical simulation and experimental results, a simplified model is developed to analyze the MHD effects of the jet flow and to explain the reason why it can keep stable under a strong non-uniform magnetic field.     

Numerical Simulation of Nonlinear Effects in the Weibel Instability

Radiophysics and Quantum Electronics - We analyze in detail the nonlinear effects taking place in an anisotropic plasma at different stages of the Weibel instability using a new approach to the...     

二维浅水波方程的数值激波不稳定性

研究二维浅水波方程的数值激波不稳定性问题.线性稳定性分析和数值实验表明,格式的临界稳定性与数值激波的不稳定现象有重要的联系.基于扰动量的增长矩阵分析,本文将高分辨率的数值格式和HLL格式进行特定的加权,设计一类新的混合型数值格式.其中可以调节非线性波速的HLLC与HLL的混合格式,数值试验展示了消除浅水波方程激波不稳定现象的有效性和鲁棒性.     

Direct Numerical Simulation of Three-Dimensional Richtmyer--Meshkov Instability

Direct numerical simulation （DNS） is used to study flow characteristics after interaction of a planar shock with a spherical media interface in each side of which the density is different. This interracial instability is known as the Richtmyer-Meshkov （R-M） instability. The compressible Navier-Stoke equations are discretized with group velocity control （GVC） modified fourth order accurate compact difference scheme. Three-dimensional numerical simulations are performed for R-M instability installed passing a shock through a spherical interface. Based on numerical results the characteristics of 3D R-M instability are analysed. The evaluation for distortion of the interface, the deformation of the incident shock wave and effects of refraction, reflection and diffraction are presented. The effects of the interracial instability on produced vorticity and mixing is discussed.     

激波诱导火焰界面失稳的并行化学加速计算

在带有详细化学反应机理的可压缩反应流数值模拟中,化学反应源项的计算会极大增加计算时间,基于建表技术的化学加速算法可以通过查找数据表中的数据来替代化学反应计算,从而有效提高计算效率,但数据表尺寸的过度增长会导致计算的中断.文章提出了基于两种数据表容量控制策略的并行动态存储/删除算法,并在激波诱导火焰界面失稳的数值模拟中进行了应用,以考察算法的性能.两种数据表容量控制策略分别为单表容量（M_sin）控制和总表容量（M_tot）控制,当单个数据表尺寸达到M_sin或总数据表尺寸达到M_tot时,对数据表进行节点删除,以保证计算的正常进行.计算结果表明,文章提出的基于表容量控制的并行加速算法,其计算准确度和计算效率之间存在关联,具有较好计算准确度算例显示了较高的计算效率.在不同的M_sin和M_tot条件下,计算的化学加速比在2.73~3.93之间.两种表控策略的组合影响了数据表删除的频率和删除之间的同步性,当数据表删除频率小、删除同步性强时,化学加速比要更高.      

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。     

考虑壁面接触效应的微流动数值模拟

使用level set和volume of fluid(VOF)方法对考虑壁面接触效应的不可压缩两相微流动进行数值模拟.对于level set方法,计算基于MAC网格,使用二阶投影算法求解二维Navier-Stokes(N-S)方程和level set函数方程;对于VOF方法,通过引入计算网格内的体积分数,将流场的参数转化为体积平均值,界面的形状由体积分数连续方程的解决定.给出一些计算实例,并和现有的实验结果进行比较.     

理想磁流体中激波与矩形密度界面相互作用的数值研究

发展一套采用三阶WENO格式和混合GLM方法的理想磁流体数值方法,并对激波与矩形密度界面相互作用进行数值研究.通过圆极化阿尔芬波和旋转激波管问题对数值方法的稳定性和可靠性进行验证.在入射激波马赫数为10,界面内外气体密度比为10的情况,对比不同磁场中矩形密度界面的演变过程.结果表明,磁场能够减少界面上涡量的生成从而抑制界面不稳定性,并且磁场对界面的加速过程以及界面内外气体混合率有影响;而界面的存在将会使波后部分区域磁场增强;由于尖角的存在,矩形界面的发展与圆形界面不同.     

Numerical Simulation of Anisotropic Preheating Ablative Rayleigh-Taylor Instability

The linear growth rate of the anisotropic preheating ablative Rayleigh-Taylor instability （ARTI） is studied by numerical simulations. The preheating model κ （T）=κSH [1＋f（T）] is applied, where f（T） is the preheating function interpreting the preheating tongue effect in the cold plasma ahead of the ablative front. An arbitrary coefficient D is introduced in the energy equation to study the influence of transverse thermal conductivity on the growth of the ARTI. We find that enhancing diffusion in a plane transverse to the mean longitudinal flow can strongly reduce the growth of the instability. Numerical simulations exhibit a significant stabilization of the ablation front by improving the transverse thermal conduction. Our results are in general agreement with the theory analysis and numerical simulations by Masse [Phys. Rev. Lett. 98 （2007） 245001].