用格子Boltzmann方法数值模拟混合层中旋涡的合并过程

用格子Boltzmann方法计算混合层中的流动问题。在流场的入口处加不同频率、振幅和相位的小扰动,观察混合层中旋涡的演进机理,模拟二维混合层中旋涡合并现象。在基本扰动波的基础上,又加入频率为基本波频率一半的亚谐波,得到了两个涡合并的计算结果,当加入的亚谐波频率为基本波频率的三分之一时,得到了三个涡合并的计算结果。这些计算结果与已有文献的结果基本一致,显示用格子Boltzmann方法模拟混合层问题是可行的。     

粘性可压混合层时间稳定性对称紧致差分求解

基于可压扰动方程组的一阶改型 ,将高精度对称紧致格式引入边值法数值线性稳定性分析。对所获非线性离散特征值问题给出了一个通用形式二阶迭代局部算法 ,实现了时间模式和空间模式的统一求解 ,并将扰动特征值及其特征函数同时得到。据此分析了可压平面自由混合层时间稳定性 ,涉及二维 /三维扰动波、粘性 /无粘扰动波、第一 /第二模态、特征函数、伪特征值谱等。研究表明 ,压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波数和增长率呈相似的减抑作用 ;在 Mc=1附近 ,从高波数段开始 ,粘性效应可强化二维不稳定扰动波由第一模态向第二模态的过渡     

基于扰动方程的超音速轴对称射流马赫波辐射研究

超音速不稳定波是导致剪切流失稳和转捩的主要不稳定模态,这种模态以马赫波的形式辐射到远场,从而产生强烈的声场。采用线性稳定性理论和非线性扰动方程(NLDE)分析,计算超音速轴对称射流不稳定波的扰动演化(Ma=2.1),对马赫波辐射进行研究,包括马赫波辐射方向、辐射源位置,以及随斯特劳哈尔数的变化情况。研究结果表明,在超音速轴对称射流中,马赫波沿固定方向辐射向远方,不稳定波相位沿另一方向传播,这两个方向相互正交;马赫波辐射源位置位于不稳定波压力幅值最大处;斯特劳哈尔数St越大,马赫波辐射的能力越强,辐射区域越集中。     

钝度对高超声速钝锥边界层稳定性的影响

采用直接数值模拟方法计算了8个不同球头半径的钝锥基本流,运用线性稳定性理论分析了钝度对边界层稳定性的影响。结果表明,随钝度增大,边界层内的不稳定区向下游移动,第二模态的最大增长率减小。在线性稳定性分析的基础上,研究了非线性扰动演化以及平均流修正对稳定性的影响。结果表明,在基本流中引入有限幅值扰动后,下游的平均流剖面会发生明显改变。流场稳定性发生显著变化,线性阶段最不稳定的第二模态波变得稳定,而第一模态波明显增长起来。第一模态波的快速增长使N值可以达到4,这将会对转捩有很大的促进作用。     

激波与小扰动波的相互作用(激波稳定性问题)

本文讨论朗道和栗弗席兹意义下的激波稳定性问题,也就是求解激波与小扰动波的相互作用问题。在无耗散介质的定常、平面激波两边产生了小扰动。朗道等假定小扰动波传播方向是垂直于激波的,得到的稳定条件是M_>1,M_2<1。我们则把小扰动波取为二维的,即推广为小扰动波可以斜着激波传播的情形,这是更常见的。结论是,无论按群速度方向来区分趋向波和离散波,还是像朗道等那样,按相速度方向来区分趋向波和离散波,既便满足条件M_1>1,M_2<1,对于某些纵向扰动波长与频率范围的声波而言,激波都不稳定。接着提出了几个实验,根据可能的实验结果讨论了趋向波与离散波的定义应按相速度方向还是群速度方向,说明了其意义。 对于管道内的定常激波有类似结果。     

周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究

气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.      

应力波对滑移弱化断层的动态触发作用

将断层简化为满足线性滑移弱化摩擦准则的理想裂纹界面。在考虑初始应力的条件下,研究了应力波通过两个相互接触的弹性半空间时的透射和反射关系。在此基础上,得出了应力波扰动断层时的初始滑移条件和不稳定滑移条件,并分析了断层动态触发与扰动应力波、断层特性和初始状态等因素的关系。当入射角一定时,入射波频率越高,所需振幅越大;断层的临界滑移越大,断层越稳定,扰动应力波所需振幅越大。     

有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用

本文在湍流边界层外层引入了正弦波状扰动;实验结果表明扰动波波幅沿流向是衰减的,衰减率与 Landahl(1967)的线性理论结果定性一致。本文发现在扰动波沿流向的演化过程中,出现以扰动波频率为基频的高次谐波。外层单一频率的扰动会减小内层的猝发平均周期,影响内层的流动结构。     

临界爆轰的稳定条件和螺旋爆轰波

本文应用耗散结构热力学理论和微扰的方法,研究临界爆轰波对二维扰动的稳定性问题。在忽略粘性、热传导、浓度扩散、外力和交叉效应的情况下,作出了扰动在爆轰波结构内传播的稳定性判据。对Arrhenius反应率,当化学反应活化能E大于某一临界值E_c之后,对反应率随温度增加而增加的放热反应,临界爆轰波对二维扰动是不稳定的,扰动的振幅在反应燃烧区内随时间的增加而增长,直至扰动最后离开爆轰波结构进入波后产物区。当考虑了粘性的影响之后,扰动振幅的增长和衰减依赖于扰动本身的频率,在反应放热量超过某临界值后,频率愈小亦即扰动波长愈长的扰动振幅,随时间增长愈快,以致最长波长的扰动增长掩盖了其它波长的扰动,或者只有最长波长的扰动振幅维持不变,其它波长的扰动振幅都逐渐衰减,最后形成有规则的螺旋爆轰波。所得结果当忽略化学反应以及粘性对扰动传播相速度的微小影响之后,结论与N.Monson和J.A.Fay等所作的声波理论结果相一致,比较成功地解释了螺旋爆轰的一些实验现象。     

亚临界平面Poiseuille流的三维非线性稳定性问题——(2)共振三波的非线性演化问题

在文献[2]中,周恒推广了文献[1]中的方法,指出在亚临界情况中,也有可能形成“人为”的共振三波,其中包含一个二维的和一对斜的三维扰动波.由于形成了共振三波,因而它们的相互作用比不形成共振三波时要强烈。在本文中,将根据文献[2]中建议的方法,导出这三个波非线性相互作用时基本波幅值演化的方程,并对其进行分析。结果发现不稳定的扰动阈值确实比单纯二维扰动的阈值小得多。从定性上说,与M.Gaster对边界层流所做实验结果相符。     

干涉型光纤陀螺中的偏振光干涉

针对采用质子交换式波导和全保偏光路的光纤陀螺,利用双波束干涉法将光纤环圈中存在的与偏振模式相关的干涉场进行了分析,推导出每种干涉场对主干涉波的幅度及相位扰动的表达式。在此基础上分析了一些关键参数对陀螺偏振噪声的影响,提出抑制光路中寄生偏振干涉场的建议。     

三车道宏观交通流模型和扰动演化的数值研究

随着城市交通设施的完善,多车道在城市高速路交通中变得比较普遍. 三车道的出现使车辆变道易于实现,这就增加了交通问题的复杂性. 采用宏观交通流理论,建立了一种允许车辆变道的单向三车道连续交通流模型,以及与之相容的差分离散格式. 数值模拟了初始密度、扰动强度、初始扰动范围等因素对扰动传播和发展演化的影响. 结果显示:扰动波的传播方向和传播速度主要由初始未扰动车流密度大小决定;初始扰动范围的大小对扰动波幅值变化的影响比较大;某一条车道发生的扰动是否会影响其他车道,则受初始车流密度和扰动强度大小两个条件影响;在中等密度多车道交通流中,扰动波的发展过程呈现出复杂的非线性特征,数值格式的选择比单车道更加困难.      

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态. 这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.      

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态.这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.     

波涡相互作用研究的某些进展(Ⅱ)

<正> 5 波涡共振 从第3节的感受性问题再前进一步,自然要问在什么条件下入射波激发起涡中之波的最大响应.这就导致了入射波与层状或轴状涡中受激波之间共振的概念,简称波涡共振.一般说来,在流体内部若有两个或多个波相会,它们将互相穿透而沿原来的方向离去.但若它们的波矢量和频率满足一定的关系(参见Craik 1985),就会在相会点产生新的波.2阶扰动的振幅可达到1阶扰动振幅的量级,而且流场中会出现一些重要的独特性质.这就是流体内部波共振,波涡共振是其一类情形.      

孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂,在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构,得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式;研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程,分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响,获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明：爆轰波经过扰动后,对于稳定预混气,在扰动下游主胞格结构变得不规则,没有出现次生胞格;对于不稳定预混气,扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制,由于爆轰波自身的不稳定性,随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构;爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态,该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化,并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。

     

高精度惯导系统重力扰动的阻尼抑制方法

重力扰动已经成为高精度长航时惯导系统的主要误差源之一。针对船用高精度惯导系统的重力扰动抑制问题,从舰船INS误差模型出发,推导了重力扰动在惯导系统中的传播特性。仿真结果表明垂线偏差将引起系统较大的舒拉振荡误差。为抑制重力扰动对系统的影响,引入常速度误差反馈阻尼网络和相位超前串联阻尼网络。分析了重力扰动在水平阻尼网络中的传递特性,实现了相应滤波器的设计。在此基础上完成了实验验证,海上试验结果表明,所引入的两种阻尼网络都能够阻尼掉重力扰动引起的舒拉振荡型导航误差,其中,相位超前串联阻尼网络效果更优,抑制率达到70%以上。     

平面Poisenille流动的二维Hopf分叉

本文用直接数值模拟的方法计算了二维Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动中扰动波的演化问题。得到了二维平衡态，在一定的波数下，Ｒｅ３９５０时，这种平衡态，将变得不稳定，模拟发现出现第二周期解，即二次分叉。     

平面Poisenille流动的二维Hopf分叉

本文用直接数值模拟的方法计算了二维Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动中扰动波的演化问题。得到了二维平衡态，在一定的波数下，Ｒｅ３９５０时，这种平衡态，将变得不稳定，模拟发现出现第二周期解，即二次分叉。     

超声速平面剪切层声辐射涡模态数值分析

对Mc = 1.2二维超声速空间发展平面自由剪切层, 进行了扰动模态及流动结构的数值分析. 采用时空三阶改进MacCormack格式, 差分求解可压缩扰动Navier-Stokes方程, 直接数值模拟入口不同基频谐波扰动的非线性演化特征. 采用空间线性稳定性理论证明, 计算所促发的扰动波是声辐射涡模态. 扰动参数及特征函数分析显示, 声辐射涡模态是弱色散的快／慢两种外部模态, 在扰动对流Mach数为超声速一侧呈膨胀／压缩状辐射. 单频受迫扰动可无相差地促发多模态混合扰动波, 而在自然扰动条件下, 剪切层的稳定性受慢模态主导.