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。     

激波冲击下air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性

实验研究了低马赫数(1.27)激波作用air/SF6界面的RM不稳定性问题.air/SF6初始正弦界面由厚度为1～2 μm的薄膜相隔得到,用阴影法测试界面演化过程.实验结果表明:由于不稳定性重流体(SF6)向轻流体(air)演化成“尖钉”结构,而轻流体演化为“气泡”结构;由于界面切向速度差的Kelvin-Helm-ho...     

用浮阻力模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合

采用浮阻力模型对激波管低压缩和激光加载高压缩情况下的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合现象进行了研究。通过与实验和理论分析结果进行比较发现:为了达到好的吻合, Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下阻力系数的取值范围(2.0~5.36)比Rayleigh-Taylor不稳定性情况下的值(3.3~4.0)宽得多; 而在Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下, 高压缩时阻力系数的不确定度(约为3.36)明显高于低压缩时的值(约为1.46), 模型的进一步完善还有待于更精确实验的验证。研究显示:指数律经验公式中指数随工况的不同而显著变化, 目前工程设计中采用指数律经验公式是粗糙的。     

用二阶矩模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导湍流混合

发展了考虑密度脉动和各向异性湍流的二阶矩模型,强调了涉及湍流能量产生项的关联。采用该模型对Poggi等的激波管实验进行了模拟。通过与实验结果的比较分析,验证了采用的模型封闭、模型常数、数值算法和程序实现是合适的。在此基础上,进一步探讨了冲击马赫数和Atwood数对混合的影响。     

单模态Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

采用VOF(Volume of Fluid)方法和PPM(Piecewise Parabolic Method)方法,发展了可用于可压缩多介质粘性流体动力学问题的数值模拟方法MVPPM(Multi-Viscous-Fluid Piecewise Parabolic Method)。利用MVPPM对多个具有不同初始扰动振幅的二维和三维单模态RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性模型进行了数值计算,并与理论模型的计算结果进行了比较。结果表明,无论二维还是三维情况,当初始扰动振幅相对于波长较小的时候,计算的扰动振幅和增长率与理论模型的计算结果一致。当初始扰动波长不变而振幅逐渐增大时,界面振幅和增长率也逐渐增大。对于具有相同初始扰动的情况,三维计算结果在线性段与二维计算结果相同,但是在非线性段比二维结果大,说明非线性和三维效应在RM不稳定性发展过程中起着重要作用。     

柱状交界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究

采用基于有限体积法的二阶Godunov格式模拟了柱形密度交界面在同轴激波加速下的演化过程。得到了以下初步结果:在参数相同的情形下,内聚激波比中心爆炸波对界面的扰动更危险;内聚激波从轻质流体进入重质流体与从重质流体进入轻质流体相比,界面有更快的增长。周向波数大小对界面增长率有很大的影响,在计算的参数下,n=8～12有最大增长率,大于和小于这个范围的周向波长,增长率均明显减弱。     

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管,在马赫数分别为$M=1.5$和1.7的条件下实验研究了气/液界面 上(即Atwood数$A$接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象. 得到 了气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线 性关系的结果,即$h \propto t$. 比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况,发现当 马赫数增加时,同一时间混合区域 宽度随之增加,混合区域宽度增长变快;而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人 为干扰界面), 当界面初始扰动获得随机外界干扰时,界面混合区域具有较大的宽度以及增 长速度. 并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性,流体混合程度更为剧烈.     

反射激波作用重气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

采用高速摄影结合激光片光源技术,研究了反射激波冲击空气环境中重气体(SF₆)气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性。通过在横式激波管试验段采用可移动反射端壁获得不同反射距离,实现了反射激波在不同时刻二次冲击处于演化中后期的气柱界面,得到了不同的界面演化规律。反射距离较小时,斜压机制对气柱界面形态演化的影响显著,界面衍生出二次涡对结构;反射距离较大时,压力扰动机制的影响显著,界面在流向上被明显地压缩,没有形成明显的涡结构。由气柱界面形态的时间演化图像得到了界面位置和整体尺度随时间的变化,对反射激波作用后气柱界面的演化进行了量化分析。     

微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应

建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行形貌修饰,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验.结果表明：硅表面经过形貌修饰后,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关,而且与接触副的等效曲率半径相关;在纳米尺度下,粗糙峰斜率对摩擦力的影响较大;在微米尺度下,等效曲率半径对摩擦力的影响较大;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的情况,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规律.     

微尺度金属薄膜屈曲稳定性的实验研究

微尺度金属薄膜的脱粘和屈曲严重影响着膜基结构的性能和使用寿命。本文对微尺度的金属铜薄膜在残余应力和外部压力共同作用下的脱粘屈曲和后屈曲模式进行了研究,用自行设计的单轴对称加载装置进行压力加载,用一台光学显微镜观察薄膜表面的屈曲形貌。在外力作用下薄膜会出现垂直于加载方向的直线型屈曲,但在外力卸载过程中该屈曲并不稳定,会演化成电话线型屈曲,完全卸载后形成泡状屈曲。再次加载后,恢复到直线型屈曲。研究表明:直线型屈曲的不稳定现象主要与薄膜的残余应力、基底的泊松比以及薄膜沿纵向与横向的应力比有关。     

k-D-a-B 模型和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性的数值模拟

给出一个适用于流体力学数值模拟的湍流混合模型。由于引入湍流质量通量和密度脉动关联量的演化方程,它比一般的ｋ－模型能更准确地描述界面不稳定性引起的可压缩湍流混合过程,并且可以不需要人为给定初始湍流场。我们用同一套参数模拟了不同Ａｔｗｏｏｄ数的激波管实验,数值结果与实验基本一致。     

k-D-a-B 模型和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性的数值模拟

给出一个适用于流体力学数值模拟的湍流混合模型。由于引入湍流质量通量和密度脉动关联量的演化方程，它比一般的ｋ－ε模型能更准确地描述界面不稳定性引起的可压缩湍流混合过程，并且可以不需要人为给定初始湍流场。我们用同一套参数模拟了不同Ａｔｗｏｏｄ数的激波管实验，数值结果与实验基本一致     

复合材料层压板低速冲击响应尺度效应数值模拟研究

为了研究尺度效应对于复合材料层压板在低速冲击作用下的动态响应和冲击损伤的影响,基于相似理论,建立了三种不同尺寸的层压板受冲击的三维有限元模型。在该模型中,针对层压板的面内损伤,采用改进的Chang-Chang准则进行预测;针对层压板内层间分层损伤,则使用Cohesive界面单元进行模拟。一旦复合材料层压板在低速冲击作用下产生损伤,则对出现损伤的区域进行材料参数退化。采用该模型对三种不同尺寸的层压板的冲击过程进行有限元分析,并将不同冲击速度下的冲击响应进行比较,得出了如下结论：在层压板内未发生冲击损伤时,冲击产生的挠度和冲击力与相似理论解十分吻合,一旦出现冲击损伤,则冲击力的变化与相似理论解有所差别;如果两个缩放模型的冲击速度之比等于缩放比例的平方根,则两个模型中的相对分层尺寸基本是相同的,这个结果与已有的实验结果吻合;而对冲击后面内损伤的分析表明,其损伤尺寸不符合这一相似规律。     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组,采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscousflow and turbulence),模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明,初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前,非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大;反射激波加载后,非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步,定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外,还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比,发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用,使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

考虑稠密气体效应的微尺度气体轴承模拟

当气体流动区的局部压力升高到一定程度时,气体稠密效应对其输运特性的影响不可忽略,其影响可以用Enskog理论来描述。利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法以及考虑气体分子稠密效应的衍生方法对气体粘度随特征尺度的变化规律和气体粘度随密度变化的规律进行了计算分析,在此基础上研究了考虑稠密效应的微尺度气体轴承的承载能力。计算结果表明,稠密效应在抵消掉气体稀薄效应的同时还改变了输运系数和气体薄膜的润滑特性,提高了气体轴承的承载能力。     

考虑尺度效应的微梁刚柔耦合动力学分析

不少微观实验已经证实,微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应.文章以转动刚体、柔性微梁组成的刚柔耦合系统为研究对象,采用偶应力理论(又称 Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,运用拉格朗日方程推导出系统考虑尺度效应的一次近似刚柔耦合动力学方程.仿真结果表明,较该文提出的一次近似耦合模型,传统的零次近似耦合模型在刚体作高速旋转时不能正确地描述微梁的动力学行为;尺度效应使微梁振动的振幅减小,频率增大.     

考虑尺度效应的微梁静态弯曲数值分析

基于修正偶应力理论及表面弹性理论,本文提出了一种新的双曲线剪切变形梁模型,用于均匀微尺度梁的静态弯曲分析。该理论可以直接利用本构关系获得横向剪切应力,满足梁顶部和底部的无应力边界条件,避免了引入剪切修正因子。根据广义Young-Laplace方程建立了梁的内部与表面层的应力连续性条件,单一的变量场可以描述梁的位移模式。通过在位移场中考虑表面层厚度以及表面层的应力连续条件,可以使新模型能够更准确地预测微尺寸和表面能相关的尺度效应。通过Hamilton原理推导出了梁的控制方程和边界条件。应变能除了考虑经典弹性理论,还要考虑微结构效应和表面能。Navier-type的解析解适用于简支边界条件,而基于拉格朗日插值的微分求积法(DQEM)可以研究在不同边界条件下的力学响应。把该数值解与Navier方法得出的解析解作了对比,得出:微尺度梁在考虑表面能或微尺寸效应、不同载荷和梁高变化下的响应一致;当不考虑微结构相关性和表面能效应时,该模型退化为经典的欧拉梁模型。     

输液管振动与稳定性研究的新进展:从宏观尺度到微纳米尺度

本文围绕不同尺度级的输液管结构,针对液流引起的管道振动与稳定性综述了目前已有的几种物理和数学模型,详细介绍了梁模型输液管的各类振动控制方程,重点讨论了宏观尺度、微米尺度和纳米尺度下输液管振动方程的异同点.在此基础之上,进一步概述了近几年这些输液管振动与稳定性问题研究的现状和一些重要研究结果,其中也包括作者们近期的相关工作.最后对未来的研究趋势作了分析和预测.通过本文可以看到,输液管振动问题仍有不少难题尚未很好解决,特别是微纳米输液管的建模和流固耦振机理方面的研究亟需加强.     

圆柱形汇聚激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定的SPH模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.     

微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析

分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.