通气超空泡稳定性分析的一种数值算法

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值仿真研究. 研究表明:Semenenko提出的稳定性判据可以有效判定通气超空泡形态稳定性,当超空泡处于判据的稳定区域时,超空泡表面形成的扰动波在扰动停止一段时间后消失,超空泡恢复到初始形态;当超空泡处于判据的不稳定区域时,超空泡发生自激振荡,超空泡表面形成的扰动波振幅逐渐增大,导致超空泡形态与内部压力发生周期性或准周期性振荡.      

STW型生态土壤稳定剂改良工程粘性土胀缩性试验研究

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡 形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值仿真研究. 研究表明： Semenenko提出的稳定性判据可以有效判定通气超空泡形态稳定性,当超空泡处于判据的稳 定区域时,超空泡表面形成的扰动波在扰动停止一段时间后消失,超空泡恢复到初始形态; 当超空泡处于判据的不稳定区域时,超空泡发生自激振荡,超空泡表面形成的扰动波振幅逐 渐增大,导致超空泡形态与内部压力发生周期性或准周期性振荡.     

通气超空泡形态稳定性的数值模拟研究

根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:模型速度,气体弹性,通气率,泄气率,流场压力、模型后体和空化器阻力系数都会对通气超空泡形态稳定性产生影响。不同类型和不同方式的扰动对通气空泡形态稳定性的影响不同,通气超空泡在受到扰动后表现出时间滞后性和振荡特性。     

圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究

利用线性稳定性理论, 进行了液体黏性对不同旋转强度下圆环旋转液体射流 空间不稳定性影响的研究. 在推导出的三维扰动下具有固体涡核型旋转速度分布的圆环旋转 黏性液体射流色散方程的基础上, 针对中低速射流, 进行了类反对称模式与类对称模式下圆 环旋转黏性液体射流的空间不稳定性分析. 研究结果表明, 对于旋转强度较大的圆环旋转液 体射流, 液体黏性的增加, 不利于射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 射流的特征频率和最 不稳定波数减小. 然而, 对于旋转强度较小的圆环旋转液体射流, 液体黏性的增加, 有利于 射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流特征频率先减小后增大, 类对称模 式下射流特征频率增大; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流最不稳定波数先减小后 增大, 类对称模式下射流最不稳定波数增大.     

圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.      

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 particlehydrodynamics,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.      

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.     

分离压对波状基底上活性剂液滴铺展过程的影响

针对波状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用润滑理论建立了液滴高度和活性剂浓度演化方程组,通过数值计算方法得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征. 研究表明:分离压作用下的液滴演化时间显著缩短,铺展速率加快,铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少,铺展更加稳定;分离压对液滴铺展稳定性的影响与活性剂关联强度密切相关,减小引力强度系数α₁有利于促进液滴的铺展,而减小斥力强度系数α₂则起抑制作用,且放大了液滴的演化扰动能量,致使液滴铺展呈现不稳定特征;增加基底高度D或波数k均使液滴铺展速率减慢.      

低密度流体界面不稳定性大涡模拟

采用拉伸涡亚格子尺度应力模型对湍流输运中的亚格子作用项进行模式化处理,发展了适用于可压多介质黏性流动和湍流的大涡模拟方法和代码MVFT（multi-viscous flow and turbulence）。利用MVFT代码对低密度流体界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了数值模拟。详细分析了扰动界面的发展,流场中冲击波的传播、相互作用、湍流混合区边界的演化规律,以及流场瞬时密度和湍动能的分布和发展。数值模拟获得的界面演化图像和流场中波系结构与实验结果吻合较好。三维和二维模拟结果的比较显示,两者得到的扰动界面位置、波系及湍流混合区边界基本一致,只是后期的界面构型有所不同,这也正说明湍流具有强三维效应。     

自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台,对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究.实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡,通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉.为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制,对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性.基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据,阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性.研究结果表明:(1)在相同输入电压下,液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小,当输入电压为400 V时,液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍;同时,液氮单空泡经历了膨胀阶段-收缩阶段-振荡阶段以及上升阶段的演化过程.(2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导,没有明显的塌陷现象,收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍.(3)在液氮空泡振荡初期,空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应;在整个振荡阶段,空泡界面附近存在破碎的小泡.当输入电压较高...     

高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.      

基底弹性对蒸发超薄液膜去润湿过程的影响

研究了基底的弹性变形对蒸发超薄膜的稳定性和去润湿动力学过程的影响. 基于长波近似, 得到了关于液体薄膜厚度的演化方程. 运用线性稳定性理论和数值模拟两种方法, 研究了基底弹性、范德华力以及液体蒸发等因素对液体薄膜的稳定性和去润湿过程的影响. 研究结果表明增大基底的弹性系数或者减小液体的表面张力, 都能加速液膜的破碎, 并且能够影响气液界面波的波长; 液体蒸发能促进气液界面扰动的增长, 有助于液膜的破裂.      

爆炸驱动液体分层现象和液滴尺寸模拟

爆炸驱动液体介质外界面的分散和破碎是气溶胶云团形成的重要过程。采用基于维数分裂的欧拉程序和Youngs混合界面处理方法,对中心药爆炸驱动甘油和水介质流场的液体分层现象进行了数值模拟。结合试验结果推断提出了液滴形成过程的三种并存机制:外层射流破碎、内层R-T失稳和中间液层"空化"破碎,分别建立了不同液层破碎液滴的尺寸模拟方法。对比给出抛撒甘油和水装置初级液滴的尺寸分布及最外层理论射流量。     

液体环轴对称抛洒首次破碎的理论分析

对于水和无水乙醇环形轴对称抛洒实验的首次破碎结果的分析表明，在给定实验条件下，液体密度大约是气体的1000倍，液体首次破碎的过程分2个阶段:首先，界面不稳定性非线性发展，液体尖钉在惯性力和空气阻力的作用下，拉伸变细变长；然后在射流不稳定性的作用下，断裂成液体珠串。这个理论分析给出的首次破碎的平均液体直径与实验结果基本一致。理论分析表明，无水乙醇破碎液滴的平均直径比水液滴小，是无水乙醇表面张力值仅为水的1/3的一个必然结果。     

液滴在激波冲击下的破裂过程

对液滴在入射激波作用下的变形破碎过程进行了实验研究和数值模拟,得知数值模拟结果与实验结果基本吻合,以及在什么情况下两者出现分歧。结果显示,液滴在激波的作用下要经历从压缩变形、RM不稳定性变形、细小液雾剥离到全部雾化破碎等过程。结果还表明,不同液滴直径、入射激波马赫数和液滴介质等参数下的液滴变形破碎的发展趋势是一致的,而其发展速度明显则不同。其中Weber数的增加加速了液滴的破碎,而Ohnesorge数和黏性的增加则抑制了液滴的破碎。     

受径向振荡激励的黏弹性液滴稳定性分析

当液滴受到外部周期性的径向激励时, 在其表面会形成驻波模式的不稳定, 这就是在球面上的Faraday不稳定问题. 不稳定的表面波的振荡频率根据流体物性参数和所施加激励条件的不同呈现为谐波或是亚谐波模式的振荡. 本文基于线性小扰动理论, 研究了受径向振荡体积力的黏弹性液滴表面波的不稳定性. 振荡的体积力导致动量方程为含有时间周期系数的Mathieu方程, 系统因此变成参数不稳定问题, 采用Floquet理论进行求解. 本模型中将黏弹性的特征处理为与流变模型参数相关的等效黏度, 从而简化了问题的求解. 基于对中性稳定曲线及增长率的分析, 研究了黏弹性参数对液滴稳定性的影响. 结果表明零剪切黏度和应变驰豫时间的增加具有抑制液滴表面波增长的作用, 提高了使液滴表面发生谐波不稳定的激励幅值. 随着振荡幅值的增加, 增长率不稳定的区域减少, 且随着振荡频率的增加, 液滴表面波增长率减小. 通过对增长率的分析可以得出, 应力松弛时间的增加使得增长率增加, 从而促进了液滴表面波的增长.      

常曲率弯道二维流动稳定性与非线性演化规律分析

国内外对弯曲河流的研究从线性特性转移到不稳定性与非线性特性上来, 弯曲河流作为一个不稳定的系统, 主要是受到水流和边界的不稳定性的影响.针对弯曲河流中存在的水流动力的不稳定性与非线性特征,利用弱非线性理论与摄动法进行展开, 在微弯条件下建立了时间模式下的常曲率 弯道二维水流扰动幅值与扰动幅角的非线性演化方程.研究了在不同弯曲度下的扰动发展特征,探讨了扰动流场在弯曲度影响下的时空分布的规律,分析了扰动流场中出现的扰动漩涡的运动过程, 阐述了弯曲度对弯曲边界内水流不稳定性的影响, 具体表现为在微弯的情况下, 弯道的弯曲度增大会提高河湾内水流的稳定性, 扰动振幅与扰动幅角会随弯曲度的增大其衰减速度更快, 并且扰动流速的对称性在弯曲度较大时减弱, 逐渐向弯道的凸岸偏斜, 在中性状态附近 的弯道水流动力具有对流不稳定性和非线性衰减的特征.本文的研究成果为构建水流动力非线性与床面形态几何非线性相互作用的模型提供了思路.      

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响. 基于VOF 方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟. 通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I 阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II 阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III 阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略. 单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.      

平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法, 研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程. 研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成, 以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化. 首先, 分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展, 发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆; 这些流动现象与液滴另外一侧 (非通道侧) 由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同, 而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因. 其次, 研究冲击中期时, 特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴, 界面形态的演化过程和规律, 揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象. 最后, 研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律, 发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系. 研究表明, 更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值, 而且使得峰值出现的时间更早.      

内爆加载金属界面不稳定性的数值分析

采用自行研制的多介质弹塑性流体力学欧拉程序,对柱形内爆加载金属界面不稳定性进行了数值研究,数值模拟结果与文献实验数据吻合较好。数值结果表明:材料强度对界面不稳定性发展有不可忽略的抑制作用;材料屈服强度对较高模数不稳定性增长的抑制较强,而剪切模量对不稳定性发展的影响相似但敏感性相对较弱;金属界面不稳定性增长存在最不稳定模数,最不稳定模数随屈服强度增加而减小,并近似与屈服强度的对数呈线性关系;随着壳的厚度减小,扰动增长加快。