小扰动界面形态对RM不稳定性影响的数值分析

采用Navier-Stokes 方程对入射激波及其反射激波连续诱导小振幅扰动界面的Richtmyer-Meshkov 不稳定性增长过程进行了二维数值模拟,分析了单模和随机多模两种不同初始形态的界面上钉结构和泡结构在反射激波作用前后的发展特性. 研究结果发现:单模扰动的初始界面形态对反射激波前、后界面的扰动增长都有影响,反射激波前的界面形态信息可以通过钉和泡结构之间的反转传递到反射激波过后. 扰动界面上钉结构的发展速度控制了界面混合区总体的发展速度,反射激波前界面上发展成具有完整冠部形态的钉,在反射激波后会反转成复杂的泡结构,此泡结构对反射激波后钉的发展不利. 随机多模界面显示了与单模界面类似的发展规律,但随机多模界面上的复杂泡结构分布的不对称性使得其对钉结构增长的拖曳效应相对要弱,这导致了相似扰动波长下多模随机界面的扰动发展相对单模界面扰动发展要快.      

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.     

沿岸流不稳定多模式运动的理论分析

目前对沿岸流不稳定研究比较成熟的理论基础是线性不稳定理论,该理论假定增长率最大的不稳定模式决定着沿岸流的波动特性,但实验分析结果表明对有些情况下该假定难以解释实验中观测到的情况.利用沿岸流不稳定运动的多模式理论分析了实验中观测到的情况.结果表明沿岸流速度剖面对于沿岸流不稳定运动模式影响很大,特别是速度剖面的变化会导致不稳定模式出现多个模式的情况,即增长率曲线出现多于两个峰的情况.用解析的速度剖面分析了速度剖面前剪切和后剪切同时变化及单独变化对于沿岸流不稳定多模式运动的影响.结果表明对于坡度为1:100的平直斜坡的情况用前剪切不稳定理论可以解释其观测到的现象.      

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.     

钨粉爆炸烧结对粉末初始参数依赖关系的研究

本文从粉末爆炸烧结的能量沉积概念出发,提出了粉末爆炸烧结下限概念,讨论了钨粉末的爆炸烧结密度值和硬度分布对粉末初始参数的依赖关系,给出了实验结果。从理论和实验阐述了粉末初始参数在爆炸烧结实验中的重要作用。     

EXPERIMENTALLY STUDY OF THE RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY AT N2/SF6 FLAT INTERFACES BY DIFFRACTED INCIDENT SHOCK WAVES AND RESHOCK

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N₂/SF₆平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的（Richmyer-Meshkov,R-M）不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的“尖钉”和“气泡”结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

INTERFACE EVOLUTIONS AND GROWTH PREDICTIONS OF MIXING ZONE ON PREMIXED FLAME INTERFACE DURING RM INSTABILITY 1)

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.     

二维激波与剪切层相互作用的直接数值模拟研究

采用五阶weighed esseritially non-oscillatory (WENO) 格式和三阶total variation diminishing (TVD) Runge-Kutta 格式, 通过求解二维非定常Navier-Stokes 方程, 直接数值模拟了激波与剪切层相互作用, 目的在于揭示激波与剪切层相互作用过程中噪声产生的机理. 研究发现:(1) 当入射激波穿过剪切层时, 剪切层中心位置向下层区域偏移;(2) 入射激波穿过剪切层产生小激波, 在小激波与剪切层接触点处产生声波并向外辐射;(3) 反射激波穿过剪切层后形成了分段弧状激波;(4) 当反射激波穿过剪切层时, 激波在鞍点处泄漏并向外辐射声波, 这是一种激波泄漏机制.     

NUMERICAL STUDY ON THE GROWTH PROCESS OF SECONDARY AEROSOL IN THE FOG

雾环境气溶胶之间的碰撞和凝并是气溶胶迁移、生长的动力学基础. 基于颗粒群平衡方程和多重蒙特卡洛方法,针对雾环境中二次液态气溶胶生长过程开展数值研究,着重分析了湍流和布朗作用机制对单分散和指数分布的二次气溶胶碰撞凝并的影响. 结果表明:雾环境气溶胶之间的碰撞凝并使得颗粒的总数目减少,颗粒平均体积逐渐增大. 对于初始尺度为自由分子区、单分散的气溶胶,布朗运动时间为600 s时,二次气溶胶平均尺度增大至初始的202.7倍左右,数目降至初始的0.006. 对于湍流作用下有布朗运动的二次气溶胶,在较短的时间内(如100 s)气溶胶尺度增至初始的163倍,颗粒数目降至初始的0.025倍, 说明雾环境流场的湍流运动引起二次气溶胶较强的输运和聚集,导致颗粒碰撞凝并概率增加,颗粒尺度增大.     

大尺寸液桥热毛细对流失稳性地面实验研究

开展大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验, 探究流场转捩的临界条件及临界状态附近的流动情况. 通过粒子图像测速方法(PIV) 获得流体速度场, 研究液桥内部定常和转捩后的流场结构以及流体运动规律;并用红外热像仪测量液桥自由面温度分布, 研究流体流动的时空演化和温度振荡. 实验发现大尺寸半浮区液桥浮力-热毛细对流临界值与几何参数有关, 在大普朗特(Prandtl) 数情况下, 流场存在由稳定态向不稳定态再到混沌的转捩过程, 在临界马兰哥尼(Marangoni) 数附近, 流场内会出现行波现象, 流动模式也会随高径比的变化而发生变化;当继续增大马兰哥尼数, 流动会进入混沌状态.      

NUMERICAL ANALYSIS ON THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS INDUCED BYMULTI-OSCILLATIONS OF AN UNDERWATER EXPLOSION BUBBLE

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.     

THE NUMERICAL STUDY OF LATTICE BOLTZMANN METHOD BASED ON DIFFERENT GRID STRUCTURE

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空 间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.     

MICRO-SCALE NUMERICAL STUDY OF THE EFFECT OF ERYTHROCYTE MECHANICAL PROPERTIES ON THE NEAR-WALL MOTION OF PLATELET

采用浸入式边界法,模拟了多个红细胞和血小板在毛细血管内流动过程中的相互影响。通过改变红细胞体积比和红细胞的力学特性,分析了红细胞力学特性对血小板在与内皮细胞发生粘附前的动力学行为的影响机理,包括：红细胞对血小板趋壁效应的影响,血小板在流动过程中的变形情况,并从血小板所受垂直壁向合力的角度深入研究了红细胞和血小板之间的相互作用。数值模拟的结果表明,增加血流中的红细胞体积比,减小了血小板和血管壁之间的距离,增大了血小板的变形,血小板所受垂直壁向合力呈现剧烈波动,两者之间的挤压显著加强;而增大红细胞硬度,使得血小板的离壁距离增大。     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

激波致伤的流体力学模型

本文从激波和人体组织相互作用的流体力学现象出发,提出和分析了激波致伤的四个流体动力学模型,即激波与不同密度的物质相互作用模型、气泡坍缩模型。激波作用下组织的表面形成射流模型和激波加速人体形成界面不稳定性模型。这几种模型是在激波和人体器官相互作用的复杂过程中引起原发性冲击伤的重要机制。     

NUMERICAL STUDY ON THE SEDIMENTED MOTION CHARACTERISTICS OF THREE ALIGNED CIRCULAR PARTICLES IN THE INCLINED CHANNELS

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method, IB–LBM） 对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究. 首先分析通道倾斜角度的影响, 结果显示当通道倾斜角处于59°90°的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象. 其次, 研究了Re对颗粒沉降特性的影响, 结果表明Re 越大, 颗粒间发生聚集的时间越早. 研究还发现当3 个颗粒的直径大小不均匀时, 颗粒由大到小纵向依次排列, 或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况, 均能促使颗粒加快聚集. 本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.     

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

不同高度柔性植被对坡面流水动力特性的影响

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被的高度(4 cm,8 cm和15 cm)对坡面流水动力特性的影响.研究表明:覆盖率相同时,4 cm植被阻水效果最好,15cm最差,而该差异随着坡度增大而减小.4 cm和8 cm植被覆盖时,水流阻力系数随雷诺数增加先减小后增加,这是由于雷诺数较小时水流阻力主要以床面阻力为主,雷诺增大时主要以植被阻力为主.另外,通过染色剂法测得光滑床面平均流速修正系数为0.2～0.4,有植被覆盖床面为0.4～0.8,且修正系数随平均流速增大而增大.     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与 Navier-Stokes 方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.