不同初始磁场对激波冲击R22重气柱过程影响的数值模拟

基于磁流体动力(magneto-hydrodynamic,MHD)方程,采用CTU+CT方法,对在不同初始磁场作用下的平面入射激波与磁化R22重质气柱作用过程进行了数值研究。数值结果清晰地描述了不同初始磁场条件时激波诱导R22气柱界面不稳定性的过程,揭示了磁场控制界面不稳定性的机理。另外,还分析了磁感应强度对界面不稳定性的影响,发现在磁场较小时,涡层附着于界面,但随着磁感应强度的增大,平均涡量随之增大,涡层与界面逐渐分离,最终更好地抑制了界面不稳定性。同时,还发现平均涡度拟能随着磁感应强度的增大而减小,而垂直磁场比平行磁场更能降低平均涡度拟能,因而平均涡度拟能可较好地反映磁场对不稳定性的影响效果。     

激波冲击SF6重气泡引发射流的数值模拟

为深入研究重气泡内激波聚焦和射流生成的机理,采用高精度计算格式和高网格分辨率对马赫数为1.23的平面入射激波与SF₆重气泡的作用过程进行数值模拟,计算结果与文献中实验吻合较好。结果显示:入射激波在重气泡内首先在流向上汇聚形成上、下对称的高压区,随后,这对高压区在SF₆重气泡中心对称轴处再次碰撞,完成激波聚焦过程,并在气泡下游界面附近形成远大于初始压力和密度的局部高压高密度区,体现出SF₆重气泡极强的聚能效应;激波聚焦还引起气泡下游界面附近的涡量变化,涡对的旋转能够加速射流形成与发展。因此,SF₆重气泡下游界面附近的高压区和涡量分布对形成射流结构均有促进作用。     

反射激波冲击重气柱的RM不稳定性数值研究

数值研究了二维气柱在入射激波以及反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展规律, 采用有限体积法结合网格自 适应技术的VAS2D程序, 精确刻画激波和界面的演化. 入射平面激波的马赫数为1.2, 气柱界面内气体为六氟化硫(SF₆), 环境气体为空气, 激波管的尾端为固壁. 通过改变气柱与尾端之间的距离调节反射激波再次作用已经变形的气柱的时间, 获得不同时刻下已经变形的气柱形态、界面尺寸以及环量演化受到反射激波的影响. 结果表明, 反射激波再次作用气柱时, 气柱所处发展阶段不同, 界面演化规律以及环量随时间的变化也不相同, 反射激波与气柱相互作用过程中的涡量产生和分布与无反射情况差异较大, 揭示了不同情况下界面演化的物理机理.     

激波诱导环形SF6气柱演化的机理

基于可压缩多组分Navier-Stokes控制方程,结合5阶加权本质无振荡格式以及网格自适应加密技术和level-set方法,数值模拟了平面激波(Ma=1.23)与环形SF₆气柱(内外半径分别为8和17.5 mm)界面的相互作用过程。相比于之前的实验结果,数值模拟结果揭示了入射激波在界面内4次透射过程中的复杂波系结构,观察到透射激波在内部界面传播时形成自由前导折射结构并向自由前导冯诺依曼折射结构转换的波系演变过程;另外,界面内的复杂激波结构诱导内部下游界面上的涡量发生了3次反向;在界面演化后期,内部界面形成的“射流”结构与下游界面相互作用,诱导界面形成一对主涡、一对次级涡以及一个反向“射流”结构。定量分析了环形界面长度、宽度、位移、环量以及混合率的变化情况,结果表明,内部气柱的存在减弱了前期小涡结构合并形成大涡结构过程中对界面高度与长度的影响,同时提高了重质气体与环境气体的混合率。     

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。     

激波与椭圆形重气柱相互作用的PLIF实验

在水平激波管中,采用平面激光诱发荧光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)方法对椭圆形重气柱界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性进行实验。气柱由SF₆混入一定比例的丙酮蒸气构成,环境气体为空气。通过改变椭圆形气柱的长短轴比值,得到了激波马赫数为1.25时,3种初始界面的演化形态。通过相对体积分数标定,得到了界面失稳演化过程中的相对体积分数分布,观察到了激波作用后界面气体聚集、转移、消散等现象。实验结果发现,对于流向轴长与展向轴长之比较大的气柱界面,初始界面产生的涡量更大且分布更广,其界面不稳定性发展得越迅速和剧烈。失稳发展迅速的界面甚至出现涡对碰撞并产生尾部射流结构的现象。初始界面直接决定了失稳发展初期形成的涡对强度和间距,并对后期演化有重要影响。     

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。     

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

多次激波诱导正弦扰动预混火焰界面失稳的数值研究

激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象,为深入研究火焰失稳特性,采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式,对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟,并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示,在激波的多次作用下,火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响,且随着入射激波强度的增强,上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数,根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率,提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现,在同一入射激波强度下,该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势;对不同马赫数的入射激波,该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。     

微型射流涡流器对湍流边界层控制的数值研究

运用数值方法,模拟出展向分布的同向倾斜微型射流列与平板湍流边界层相互作用形成流向涡列的流场结构,验证了利用其来对湍流边界层进行控制的可能性.随射流间距减小,流向涡列控制作用流向渗透能力增强,但作用区域减小;随射流速度提高,流向涡列控制作用增强,但过大的射流速度反而会导致流向涡列在局部区域内控制作用的下降;随射流俯仰角减小、倾斜角增大,流向涡列初始控制作用增强,但过小的俯仰角、过大的倾斜角会导致流向涡列流向控制区域明显缩小.要保证流向涡列具有较强的湍流边界层控制作用,必须通过合理配置射流列各主要参数,在保证各流向涡具有一定强度的同时,还要确保各流向涡在形成时部分嵌入边界层内部.     

The influence of magnetic field on the physical explosion of a heavy gas cloud

Richtmyer–Meshkov (RM) instability arises during the eruption of heavy gas cloud. In this study, we numerically study the effects of magnetic fields on the RM instability induced by the ionised cylindrical and spherical heavy gas cloud eruption using corner transport upwind + constrained transport algorithm. Our numerical results show that magnetic fields can suppress the formation of spike and bubble structures induced by the eruption in both cylindrical and spherical cases. The magnetic pressure of the interface along the perpendicular direction of magnetic field is the main factor to control the distortion of the interface. Even weak magnetic fields can drastically alter the evolution of the cloud and result in different distributions and amplifications of the magnetic pressure, which will affect further transformation of RM instability during the ionised gas eruption. Meanwhile, the magnetic pressure on the interface decreases gradually when the initial magnetic field is relatively large; when the initial magnetic field is small enough, the opposite results will occur.     

A STUDY ON JET PHENOMENON OF R22 GAS CYLINDER UNDER THE IMPACT OF SHOCK WAVE

重物质气泡在平面激波作用下出现射流是一个非常有趣的物理现象, 它与气体属性、激波强度密切相关, 气泡内外波系结构复杂, 值得进行深入探讨. 论文采用水平集方法结合真实虚拟流体方法捕捉物质界面, 对R₂₂圆柱气泡在平面激波作用下的射流现象进行了数值模拟, 详细阐述了波系结构在气泡内外的演变过程, 总结了导致气泡射流现象形成的典型波系结构特征, 从波系结构角度解释了射流形成的原因.论文也对不同强度的激波冲击R₂₂圆柱气泡的情况进行了归纳, 发现激波强度对射流现象的出现以及射流结构的尺寸特征有重要影响, 得出了 R₂₂圆柱气泡能否出现射流结构的临界激波强度, 以期对实验结果起到指导与验证作用.     

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.      

Stability of a liquid jet into incompressible gases and liquids: Part 2. Effects of the irrotational viscous pressure

In this paper we investigate the effects of an irrotational, viscous pressure on the stability of a liquid jet into gases and liquids. The analysis extends our earlier work (part 1) in which the stability of the viscous jet was studied assuming that the motion and pressure are irrotational and the viscosity enters through the jump in the viscous normal stress in the normal stress balance at the interface. The liquid jet is always unstable; at high Weber numbers the instability is dominated by capillary instability; at low W the instability is dominated by Kelvin–Helmholtz (KH) waves generated by pressures driven by the discontinuous velocity. In the irrotational analysis the viscosity is important but the effects of shear are neglected. In fact a discontinuous velocity is not compatible with the continuity of the tangential components of velocity and shear stress so that KH instability is not properly posed for exact study using the no-slip condition but some of the effects of viscosity can be ascertained using viscous potential flow. The theory is called viscous potential flow (VPF). Here we develop another irrotational theory in which the discontinuities in the irrotational tangential velocity and shear stress are eliminated in the global energy balance by selecting viscous contributions to the irrotational pressure. These pressures generate a hierarchy of potential flows in powers of the viscosity, but only the first one, linear in viscosity, in the irrotational viscous stress, is thought to have physical significance. The tangential velocity and shear stress in an irrotational study cannot be made continuous, but the effects of the discontinuous velocity and stress in the mechanical energy balance can be removed “in the mean.” This theory with the additional viscous pressure is called VCVPF, viscous correction of VPF. VCVPF is VPF with the additional pressures. The theory here cannot be compared with an exact solution, which would not allow the discontinuous velocity and stress. In other problems, like capillary instability, in which VCVPF can be compared with an exact solution, the agreements are uniformly excellent in the wave number when one of the fluids is gas and in good but not uniform, agreement when both fluids are liquids.     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.