用高精度有限差分法模拟烧蚀瑞利-泰勒不稳定性

求解烧蚀面附近流场的定常解,并以此作为基本流实现用高精度的WENO格式对烧蚀瑞利-泰勒不稳定性的数值模拟.线性增长率与Lindl公式以及线性稳定性分析给出的结果相符合,证明该数值模拟方法的准确性与精度,该方法还具有较好的界面变形捕捉能力.     

磁瑞利-泰勒不稳定性非线性演化数值模拟

基于理想磁流体力学模型,采用5阶WENO有限差分格式结合磁场伪散度清除投影算法,发展二维数值模拟程序,利用线性理论对程序进行检验,在此基础上研究磁瑞利-泰勒(MRT)不稳定性非线性演化物理过程和发展规律.结果表明:垂直于加速度方向磁场在线性和非线性阶段对MRT扰动发展都有较强的制稳作用,而平行于加速度方向磁场在线性阶段...     

瑞利-泰勒不稳定性中尺度效应的数值模拟研究

 瑞利-泰勒不稳定性是一种由于密度梯度引起的界面不稳定性，在惯性约束聚变中具有重要的意义。利用被动标量输运模型对包含不同尺度初始扰动的界面演化过程进行数值模拟。计算结果表明界面的初始形状对不稳定性的发展具有很大的影响，狭长型扰动比正方型扰动发展慢。另外，不同尺度扰动的相互作用一般会减小沿界面发展方向运动的动能，使能量更多地用于平行于界面方向的运动。     

有限拉莫尔半径和剪切轴向流组合稳定瑞利-泰勒不稳定性

本文参照不可压缩粘滞磁流体动力学方程，考查粘滞对环形等离子体内爆瑞利一泰勒（RT）不稳定性的影响。这里，粘滞效应按文献是指有限拉莫尔半径，用有限拉莫尔半径代替通常的平均自由程。换言之，把有限拉莫尔半径项看成有效粘滞项。即，在等离子体动量方程中称为同旋粘滞项。由于引入了速度剪切，开耳芬．亥姆霍兹不稳定性也包含其中。结果表明，在Z箍缩内爆中，有限拉莫尔半径对磁瑞利-泰勒不稳定性起强稳定作用，而且剪切轴向流和有限拉莫尔半径的组合效应能够极大减小瑞利-泰勒不稳定性。     

激光烧蚀瑞利－泰勒不稳定性模拟

 给出了激光烧蚀流体不稳定性计算程序EUL2D的物理方程,介绍了计算中使用的活动网格和一些技术问题处理。EUL2D程序的计算结果与Takabe公式、FAST2D程序和LASNEX程序的结果较好符合。数值计算日本大阪大学激光烧蚀瑞利－泰勒不稳定性实验,再现了实验结果。发现了横向电子热传导烧蚀在长波长扰动的非线性瑞利－泰勒不稳定性演变中起重要作用。     

激光烧蚀瑞利－泰勒不稳定性模拟

给出了激光烧蚀流体不稳定性计算程序EUL2D的物理方程,介绍了计算中使用的活动网格和一些技术问题处理。EUL2D程序的计算结果与Takabe公式、FAST2D程序和LASNEX程序的结果较好符合。数值计算日本大阪大学激光烧蚀瑞利－泰勒不稳定性实验,再现了实验结果。发现了横向电子热传导烧蚀在长波长扰动的非线性瑞利－泰勒不稳定性演变中起重要作用。     

二维不可压流体瑞利-泰勒不稳定性的非线性阈值公式

分析了二维情况下平面几何、柱几何和球几何中瑞利-泰勒不稳定性发生非线性偏离的阈值问题，给出了三种几何中密度扰动振幅的定义，以及与界面扰动振幅的关系.由此得到了三种几何中密度扰动的非线性阈值公式，用高精度流体程序对三种几何中的不稳定性进行了数值模拟，验证了得到的非线性阈值公式. 关键词： 瑞利-泰勒不稳定性 非线性阈值 密度振幅     

双模瑞利-泰勒不稳定性的预热烧蚀效应研究

针对双模扰动下的烧蚀瑞利-泰勒不稳定性增长问题,采用高精度的数值计算方法,研究了不同预热程度下模耦合产生的多个高次谐波幅值的发展和演化问题。研究表明,三种预热烧蚀条件下,当扰动基模满足长波与短波耦合方式时,谐波中的长波模态占主导,而短波模发展明显受到抑制;当满足短波与短波耦合时,耦合结果带来了许多新的增长较快的长波模态,此时短波模增长呈现小幅震荡形式。比较两种耦合方式可以发现,长波结构在烧蚀瑞利-泰勒不稳定性弱非线性阶段都占主导地位,尤其是短波与短波耦合中气泡与尖钉表现出不同于两个基模的长波模结构。进一步分析预热效应对模耦合增长的影响,发现预热程度越强就越能削弱耦合谐波的增长,这说明预热对烧蚀瑞利-泰勒不稳定性具有致稳作用,这对惯性约束聚变工程中控制烧蚀瑞利-泰勒不稳定性发展具有重要意义。     

神光Ⅱ装置上间接驱动烧蚀瑞利-泰勒不稳定性实验分析

在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据,模拟结果与实验结果相符合。神光Ⅱ激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。     

神光Ⅱ装置上间接驱动烧蚀瑞利-泰勒不稳定性实验分析

在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流, 且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT 明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。 通过提高空间分辨率, 实验获得了二次和三次谐波的增长数据, 模拟结果与实验结果相符合。 神光Ⅱ激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。     

自由上浮气泡运动特性的光滑粒子流体动力学模拟

基于虚功原理, 在Hu X Y等和Grenier N等的研究结果基础上推导了多相流光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)控制方程, 采用精度较高的黏性力和表面张力模型, 发展了一套适用于具有大密度比和大黏性比界面的多相流SPH方法. 首先, 通过施加人工位移修正, 适当背景压力和异相界面力, 使得计算全程粒子分布相对均匀, 改善了界面处的失稳现象, 防止了异相界面处粒子的非物理性穿透; 在此基础上, 利用方形流体团振荡模型对表面张力模型进行了验证, 数值结果与解析解甚为吻合; 然后采用上浮气泡经典数值算例对比研究了不同黏性力计算方法、不同核函数的适用性以及人工位移修正的效果; 最后, 对单个气泡的上浮、变形、撕裂以及垂向两个气泡的追赶、融合等现象进行了模拟, 初步揭示了气泡上浮过程中各种有趣物理现象的细节过程和动力学机理.     

光滑粒子动力学SPH方法应力不稳定性的一种改进方案

光滑粒子动力学方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法,在模拟大变形和自由表面流方面具有特殊的优势,已经在工程和科学领域得到了广泛的应用．然而,长期以来,传统光滑粒子动力学方法一直受到应力不稳定性的困扰,从而限制了它的进一步发展和应用．应力不稳定性的根本原因在于应力状态与核函数的不匹配：负压状态下粒子间产生吸引力,吸引力随着粒子间距的减小而增大,导致拉伸不稳定性;正压状态下粒子间产生排斥力,排斥力随着粒子间距的减小而先增大后减小,导致压缩不稳定性．本文通过改进光滑粒子动力学方法的核函数和离散格式,使得无论在正压还是负压状态下粒子间的作用力恒为排斥力,且排斥力随着粒子间距的减小而增大,从而防止粒子聚集等现象,解决应力不稳定问题．分别使用改进前后的光滑粒子动力学方法模拟两个典型的应力不稳定算例,结果表明本文的改进方法能够有效地消除应力不稳定性．     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟

对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.     

一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.     

液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进．改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正,采用了一种新型的耦合边界条件,添加了表面张力和人工应力的计算程序．应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴冲击液膜问题进行了数值模拟．得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征,精细地捕捉了不同时刻的自由面,从机理上分析了液滴产生飞溅的条件,探讨了韦伯数,表面张力对液滴冲击液膜问题的影响．计算结果表明,改进光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴冲击液膜的动力学特性和自由表面变化特征,能够得到稳定精度的结果．     

光滑粒子动力学方法中粒子分布与数值稳定性分析

光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于包括含多相流动界面以及移动边界的可压缩和不可压缩流体运动的研究中.通过对Poiseuille流动的深入研究,探索了SPH方法中粒子分布对计算精度的影响,揭示了一种因为粒子不规则分布而导致的数值不稳定现象.研究显示,这种数值不稳定性起源于SPH方法粒子近似过程中的不连续性.使用了一种新的粒子近似格式以确保SPH方法中粒子近似的连续性.计算结果表明,这种新的粒子近似格式对于规则和不规则的粒子分布都能得到稳定精度的结果.     

基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

非线性薛定谔方程的高阶分裂改进光滑粒子动力学算法

为提高传统光滑粒子动力学(SPH)方法求解高维非线性薛定谔(nonlinear Schr?dinger/Gross-Pitaevskii equation, NLS/GP)方程的数值精度和计算效率,本文首先基于高阶时间分裂思想将非线性薛定谔方程分解成线性导数项和非线性项,其次拓展一阶对称SPH方法对复数域上线性导数部分进行显式求解,最后引入MPI并行技术,结合边界施加虚粒子方法给出一种能够准确、高效地求解高维NLS/GP方程的高阶分裂修正并行SPH方法.数值模拟中,首先对带有周期性和Dirichlet边界条件的NLS方程进行求解,并与解析解做对比,准确地得到了周期边界下孤立波的奇异性,且对提出方法的数值精度、收敛速度和计算效率进行了分析;随后,运用给出的高阶分裂粒子方法对复杂二维和三维NLS/GP问题进行了数值预测,并与其他数值结果进行比较,准确地展现了非线性孤立波传播中的奇异现象和玻色-爱因斯坦凝聚态中带外旋转项的量子涡旋变化过程.