微通道内反应流体粘性指进的数值研究

采用格子Boltzmann方法数值模拟化学反应中混溶流体在微通道中的粘性指进现象.模拟采用单浓度变量的双稳态化学反应模型,重点研究指进的形态位置随化学反应速率和稳态浓度参数（即无化学反应发生的界面浓度）的变化.结果表明：随着反应速率的增加,指进界面变薄;而稳态浓度参数的变化则影响反应区的分布以及反应速率,导致指进形态以及位置的改变,甚至出现指尖液滴分离.     

流体/准饱和多孔介质中伪Scholte波的传播特性

研究流体/多孔介质界面Scholte波的传播特性对于水下勘探、地震工程等领域具有重要意义.本文基于Biot理论和等效流体模型,采用势函数方法,推导了描述有限厚度流体/准饱和多孔半空间远场界面波的特征方程和位移、孔压计算公式.在此基础上,分别以砂岩和松散沉积土为例,研究了流体/硬多孔介质和流体/软多孔介质两种情况下,可压缩流体层厚度和多孔介质饱和度对伪Scholte波传播特性的影响.结果表明：多孔介质软硬程度显著影响界面波的种类、相速度、位移和水压力分布;有限厚度流体/饱和多孔半空间界面处伪Scholte波相速度与界面波波长和流体厚度的比值有关;孔隙水中溶解的少量气体对剪切波的相速度的影响不大,对压缩波相速度、伪Scholte波相速度和孔隙水压力分布影响显著.     

多孔介质中含溶解反应的互溶驱替过程格子Boltzmann研究

采用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质内含流固溶解反应的互溶驱替过程,重点研究了被驱替流体与驱替流体黏性差异较大的情况下,溶解反应引起的多孔介质内部结构变化对驱替过程的影响;定量分析了不同达姆科勒数及佩克莱数下多孔介质孔隙率和驱替过程驱替效率随时间的演变.研究结果表明:达姆科勒数较大时,溶解反应的发生会在多孔介质内部生成虫洞,导致一部分被驱替流体不能被波及,驱替流体沿虫洞离开多孔介质,造成驱替效率的减少.在此基础上,随着达姆科勒数的增大,孔隙率变化越大,生成的虫洞越宽,最终驱替效率变大,但仍小于无溶解反应时的驱替效率;随着佩克莱数的增大,指进增长速度越快,孔隙率变化越小,驱替效率越小.     

化学反应中的分形混合

当我们将奶油源源不断在注入到一杯咖啡中时，就会在杯中看到有美丽的漩涡出现，这个现象引起了两位科学家的兴趣．他们是匈牙利布达佩斯大学的Kavolyi G和Tel T博士，他们认为，过去考虑化学反应方程时，只考虑各成分混合的效应．但实际情况并没有如此简单，应该在化学反应方程中充分考虑成分在混合时的反常特性对反应率的影响，因此他们提出了新的想法．他们认为在化学反应发生以前，成分问的混合已经开始，这时两种流体的反应交界面是一个犬牙交错的分形界面，它将对反应率产生影响．在自然界中，大多数实际发生的流体化学反应过程，是一个混沌无序的过程，一般的方程解并不是很适用这类过程，因为化学反应发生在有许多细丝结构的分形界面内．     

Scholte波与含泥沙两相流介质属性关系的分析及仿真验证

基于四种超声悬浮液模型Urick, Urick-Ament, HT, Mcclements分析了Scholte波在两相流体与多孔介质固体界面处的传播特性. 结合各模型的复波数表达式建立含泥沙流体-多孔介质固体界面波特征方程, 分析了Scholte波速与两相流体积含量、粒径等介质属性的关系. 通过仿真实验获得界面波信号, 运用时延估计获得Scholte波速与泥沙含量、粒径的关系, 发现所得的波速与Urick-Ament和HT理论有相对好的一致性. 关键词： Scholte波 两相流体 多孔介质 泥沙含量     

反应性RM不稳定混合特性研究: 反应活性与介质不均匀性的影响

预混火焰界面的RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定现象在自然界和工程实践中十分常见,但目前关于反应性RM不稳定的研究主要集中于均匀介质的情况,而实际中的预混气体往往是非均匀的,因此开展非均匀介质中火焰界面演化和混合特性的研究十分必要。采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了预混火焰界面在入射激波及反射激波作用下的RM不稳定过程,考察了化学反应活性以及介质非均匀性对RM不稳定过程中火焰界面混合特性的变化规律的影响。结果表明,在入射激波作用后的阶段,在均匀介质中的火焰界面形态呈现典型的"钉-帽-泡"结构,化学反应活性越强,界面的"泡"结构和"钉-帽"结构增长越快;而在非均匀介质中,火焰界面形态则呈现"钉-钉"结构,界面在流向速度差的诱导下被更大程度地拉伸。在第一次反射激波作用后的阶段,混合区的增长速率不依赖于反应活性和均匀性,仅与流动特性有关。时间尺度的研究表明,大尺度流动是反应性RM不稳定的主导因素,其次是化学反应,最后是小尺度混合,化学反应的强化会抑制大尺度流动,非均匀性会强化大尺度流动。      

微孔中反应流体黏性指进混合过程的数值研究

基于国家数值风洞LBM模块和自编程序，本文在孔隙尺度下对微孔中两种可混溶溶液的黏性指进反应混合过程进行了数值研究。针对两种溶液之间的化学反应以及产物的析出，本文重点研究化学反应速率、固态生成物的成核速率以及聚集速率对黏性指进的影响。研究发现：反应会明显改变黏性指进的界面浓度分布，一方面随着反应速率的增加，指进界面处各组分的变化越来越明显；另一方面由于受到扩散作用的限制，当反应速率增大到一定值后，各组分的平均浓度不再发生变化；产物的生成量与反应速率成正相关，与成核速率和聚集速率成负相关；析出的固相组分的浓度与成核速率和聚集速率成正相关；混合长度主要和反应速率相关，成核速率以及聚集速度的改变对混合长度基本没有影响。     

多孔介质中卡森流体的分形分析

研究了非牛顿流体中的卡森流体在多孔介质中的流动特性.基于服从分形分布的弯曲毛细管束模型,运用分形几何理论推导出了该流体在多孔介质中流动的流量、流速、启动压力梯度和有效渗透率的分形解析解.模型中的每一个参数都有明确的物理意义,它将卡森流体在多孔介质中的流动特性与多孔介质的微结构参数有机联系起来.文中给出了卡森流体的流速、启动压力梯度和有效渗透率随着各影响因素的变化趋势,并进行了讨论.所得分形模型可以更深刻地理解卡森流体在多孔介质中流动的内在物理机理. 关键词： 多孔介质 卡森流体 分形     

层状多孔介质中声反射和透射

本文根据流体饱和多孔介质中声传播的Biot理论和多孔介质界面上的六个边界条件研究了平面声波斜入射于多层水平板状多孔介质时的反射和透射。数值计算了快纵波为入射波时声波频率、入射角等量的变化对能量的反射系数、透射系数的影响。数值计算结果表明,当声波波长与中间介质厚度呈一定比例时,反射系数、透射系数取得极值,入射角、多孔介质的性质对反射系数、透射系数的影响很大。     

多孔介质内混溶流体间粘性指进现象的格子Boltzmann模型

提出一个模拟多孔介质内混溶流体间粘性指进现象的格子Boltzmann模型.采用双分布函数分别求解压力场和浓度场.在浓度场平衡态分布函数中引入与浓度扩散相关的参数.通过调节参数,使粒子碰撞过程中的松弛时间保持恒定.模拟了粘度相同的流体间的混相驱替问题.不同网格下的模拟结果均与解析解吻合良好,验证了模型的可行性.进一步研究粘度比和贝克莱数(Pe)对粘性指进现象的影响.结果显示,增大粘度比会促进"手指"的增长.当粘度比不变时,存在Pe的临界值.当Pe超过临界值时,"手指"前缘会出现分裂现象.对横向平均浓度场的研究显示,混合区域的长度随时间的变化分为两个阶段,它首先随着t^1/2成线性增长,然后随着t成线性增长.     

Fingering of chemical fronts in porous media

The influence of chemical reactions on the hydrodynamical fingering instability is analyzed for miscible systems in porous media. Using a realistic reaction scheme, it is shown that the stability of chemical fronts towards density fingering crucially depends on the width and the speed of the front which are functions of chemical parameters. The major difference between the pure and chemically driven fingering is that, in the presence of chemical reactions, the dispersion curves do not vary in time which has important practical experimental consequences. Good agreement with recent experimental data is found.     

Anomalous Richtmyer-Meshkov fingering in dissipative particle systems

We study the fingering instability induced by a shock that propagates across a perturbed interface that separates two types of discrete particles. If collisions between particles conserve energy, then the relative sizes and growth rates of the fingers are similar to those in the analogous shock-induced fingering instability in fluids. However, we show that energy loss during particle collisions, even when very small, causes the qualitative features of the finger growth to be completely opposite to the fluid case. The fingers formed by light particles grow faster and become longer and narrower than the fingers formed by heavy particles. In addition, the finger composed of light particles collapses into an extremely compact, tortuous filament, and diffusive mixing between particle types at the particle scale is heavily suppressed.     

Computer simulation of viscous fingering in a lifting Hele-Shaw cell with grooved plates

We simulate viscous fingering generated by separating two plates with a constant force, in a lifting Hele-Shaw cell. Variation in the patterns for different fluid viscosity and lifting force is studied. Viscous fingering is strongly affected by anisotropy. We report a computer simulation study of fingering patterns, where circular or square grooves are etched on to the lower plate. Results are compared with experiments.     

Influence of double diffusive effects on miscible viscous fingering

Miscible viscous fingering classically occurs when a less viscous fluid displaces a miscible more viscous one in a porous medium. We analyze here how double diffusive effects between a slow diffusing S and a fast diffusing F component, both influencing the viscosity of the fluids at hand, affect such fingering, and, most importantly, can destabilize the classically stable situation of a more viscous fluid displacing a less viscous one. Various instability scenarios are classified in a parameter space spanned by the log-mobility ratios R(s) and R(f) of the slow and fast component, respectively, and parametrized by the ratio of diffusion coefficients δ. Numerical simulations of the full nonlinear problem confirm the existence of the predicted instability scenarios and highlight the influence of differential diffusion effects on the nonlinear fingering dynamics.     

Adhesion and fingering in the lifting Hele-Shaw cell: Role of the substrate

The lifting Hele-Shaw cell (LHSC) is used to study adhesion as well as viscous fingering. In the present paper we report a series of observations of development of the interface for different viscous fluids, both Newtonian and non-Newtonian, in a LHSC operated at a constant lifting force. Glass and perspex are used as the plates in two different sets of experiments. The objectives are 1) to measure the time required to separate the plates as a function of the lifting force and 2) to note the force above which viscous fingering appears. We find that for the Newtonian fluids, the plate separation time follows a universal power law with the lifting force, irrespective of fluid and substrate. The non-Newtonian fluids too, with proper scaling obey the same power law. The appearance of fingering, however, depends on the properties of the fluid as well as the substrate. We suggest a modified form of the capillary number which controls the onset of fingering; this new quantity, termed the “fingering parameter” involves the dielectric constants of the substrate and fluid in addition to the viscosity and surface tension.     

Fluid mixing from viscous fingering

Mixing efficiency at low Reynolds numbers can be enhanced by exploiting hydrodynamic instabilities that induce heterogeneity and disorder in the flow. The unstable displacement of fluids with different viscosities, or viscous fingering, provides a powerful mechanism to increase fluid-fluid interfacial area and enhance mixing. Here we describe the dissipative structure of miscible viscous fingering, and propose a two-equation model for the scalar variance and its dissipation rate. Our analysis predicts the optimum range of viscosity contrasts that, for a given Péclet number, maximizes interfacial area and minimizes mixing time. In the spirit of turbulence modeling, the proposed two-equation model permits upscaling dissipation due to fingering at unresolved scales.     

高马赫数高压力的氧碘化学激光器阵列喷管的数值模拟

 采用计算流体力学方法,研究了以氮气为载气的新型高总压氧碘化学激光器(COIL)阵列喷管。模拟结果表明:采用高马赫数的氮气流引射低马赫数的氧气流,可以提高光腔出口的驻点压力;高超声速的氮气与声速的氧气混合较慢,在喷管出口安装翼片有利于增强气流混合;喷管出口安装大翼片,翼片诱导的横向涡可以到达氮喷管的中心,光腔内混合比较充分。通过采用10组分21反应的化学反应模型,模拟了阵列喷管内多组分气体的混合和化学反应过程。模拟结果表明：光腔内生成了激发态碘原子和基态碘原子,光腔中获得了正增益,而且光腔出口的总压也由2.6 kPa提升至28.9 kPa。     

基于混合发展的超声速段射流式COIL的数值优化

应用CFD技术,发展三维多组分化学反应流计算程序,对采用超声速段射流方式的氧碘化学激光进行数值模拟,考察分解率与增益等参考变量的详细三维分布.计算结果说明,超声速区域的高速流动以及混合效率降低使COIL无法在有限空间内完成整个运转流程;提高碘含量以加快反应速度的手段导致主流无法提供足够的载能介质,无法形成合理增益.在不改变喷管长度的前提下,提出主流无载气方式的探索,结果证明了超声速段射流方式采用无载气主流配置的可行性与优势,通过减小气流速度保证混合与化学反应在光腔上游完成,在合理的流量配比下光腔位置处可得到1.3%cm^-1的增益峰值.