超声速等离子体射流的数值模拟

基于可压缩的全Naiver-Stokes方程，利用PHOENICS程序对由会聚 辐射阳极形状等离子体炬产生的超声速等离子体射流进行了数值模拟.考虑了等离子体的黏性、可压缩性以及变物性对等离子体射流特性影响.研究了超声速等离子体射流的流场结构特性以及不同环境压力对等离子体射流产生激波结构的影响.结果表明，超声速等离子体射流在喷口附近形成的周期性激波结构是其和环境气体相互作用的结果. 关键词： 等离子体炬 超声速等离子体射流 PHOENICS     

矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞的实验研究

在不同喷口间距和射流压力下开展了矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞实验并与自由射流进行了对比. 实验表明:超声速射流对撞的辐射噪声中存在四种不同的啸音模式, 且随喷口距离和射流压力的变化在不同模式间切换. 在射流压力大于0.5 MPa且喷口间距小于50 mm时, 射流对撞面在两个喷口外形成两道正激波之间, 啸音基频维持在3 kHz左右. 随喷口间距的增大或射流压力的降低, 射流对撞面在一侧喷口外的弓形激波与另一侧喷口外的正激波之间. 对撞面也有可能出现在两个弓形激波之间, 对应的啸音基频约为9 kHz, 但容易受扰动而回到喷口一侧或是在喷口之间大幅度振荡. 当射流压力小于0.36 MPa且喷口间距大于70 mm后, 对撞面在两个喷口之间大幅度振荡, 产生基频在1 kHz左右并随射流压力的降低和喷口间距的增大而降低的啸音. 关键词： 超声速射流 啸音 射流对撞 激波     

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。     

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

受限湍流射流扩散火焰的PDF模拟

采用k-ε双方程模型和概率密度函数(PDF)相结合的办法,研究受限条件下的湍流射流扩散火焰,着重考虑受限条件下固体壁面、压力梯度等因素对速度场和标量场求解的影响,并在此基础上对两个不同尺寸的受限湍流燃烧场进行计算,分别研究了受限湍流射流扩散火焰的流场结构、火焰结构和火焰形状.最后给出结果,定性分析,并得出结论.     

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟

本文对甲烷-空气平面自由射流扩散火焰进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,湍流亚格子项采用动态模式模拟,化学反应速率亚格子项采用动态相似模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了湍流扩散火焰的瞬态发展变化过程,表明射流扩散火焰的发展过程存在着“湍流控制”和“化学反应控制”两个不同阶段。 “湍流控制”阶段仅存在于火焰发展初期的极短时间内。     

超音速氢气燃烧火焰结构特性的直接数值模拟

在课题组前期工作的基础上,对一马赫数为1.2的三维超音速氢气射流抬升火焰进行了直接数值模拟研究,其中空间离散采用波带优化的四阶WENO格式,时间积分采用带有TVD性质的三步三阶龙格库塔格式,边界条件采用了无反射特征边界条件,总的计算网格数达到9.75亿。结果表明:超音速射流氢气燃烧火焰可分为根部层流状的高温高热量释放率稳燃区、高度褶皱的湍流剧烈混合区和远场燃烧区。火焰自燃稳燃点出现在喷口附近的x/D=0.86处,对应着最易反应混合分数。在此下游,预混燃烧和扩散燃烧两种模式同时存在,其中在剧烈混合区和远场区火焰以扩散燃烧为主,但在火焰根部的局部区域预混燃烧热量释放率达到35%左右。     

超音速射流火焰的DNS研究:计算方法与涡结构

介绍了可压缩反应流的计算方法,然后计算了超音速射流火焰,对超音速射流火焰中的涡结构进行了分析。认为超音速射流火焰中的涡结构特征,与亚音速射流中有本质差异,且涡结构在燃料与组分的混合中起到了重要作用,进而直接影响火焰结构和燃烧效率。     

Singlet-Singlet Electronic Excitation Energy Transfer in a Bichromophore Cooled in a Supersonic Jet

The fluorescence excitation spectra and polarization of the fluorescence of a bichromophore cooled in a supersonic jet are measured. The bichromophore consists of 2,5-diphenyloxazole (PPO) and 1-(5′-phenyl-1′, 3′-oxazole-2′-yl)-4-(5′-phenyl-1′,3′,4′-oxadiazole-2′-yl)-benzene (POPDP) connected by the methylene bridge -(CH₂)-. Based on the analysis of these components and theoretical calculations, it has been proven that the total intramolecular singlet-singlet transfer of the energy of electronic excitation from the energy donor PPO to the acceptor POPDP occurs in a time of 10⁻¹² sec. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 4, pp. 460–463, July–August, 2005.     

抬举湍流H2/N2射流火焰的PDF模拟

采用数值目的研究了一个高温燃烧产物环境中的抬举湍流H₂/N₂射流火焰,对火焰的自然和抬举特性进行了研究.采用标量联合概率密度函数(PDF)目的处理详细的化学动力学过程,而湍流流场采用一个多时间尺度(MTS)k-ε湍流模型计算.计算中结合了一套描述氢气氧化的详细化学反应动力学机理.计算结果和实验数据进行了对比,表明所采用的模型可以精确的模拟火焰抬举高度和自然的过程.     

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.     

间断有限元方法在弹尾超音速喷流计算中的应用

采用间断有限元方法对超音速无粘喷流流动进行数值模拟.将二维双曲守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并就某导弹尾部超音速伴随射流进行数值计算.计算结果与实验照片反映的流动特征吻合较好,与高精度、高分辨率TVD格式的计算结果相比,间断有限元方法的计算结果在轴线反射点附近具有较高的分辨率,表明该方法对激波具有较强的捕捉能力,在激波阵面上不会产生振荡或抹平间断现象.     

旋流喷雾燃烧的直接数值模拟

对三维旋流喷雾燃烧进行了初步的直接数值模拟,其中液滴蒸发采用无限热传导蒸发模型描述,气相燃烧采用自适应单步反应机理,液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行。模拟结果表明,喷雾燃烧的火焰结构十分复杂,仅采用传统的非预混燃烧模型是不够的。在蒸发和燃烧共存并存在强烈相互作用的区域,组分与混合物份额之间存在着复杂的关联,这给发展精确的湍流喷雾燃烧模型带来了挑战。     

火焰曲率对H_2扩散火焰NO排放影响的数值研究

使用不同的H_2/O_2化学反应机理和NO_x化学反应机理模拟了平面对冲火焰。通过和实验数据比较确定了最优的化学反应机理。使用该化学反应机理模拟了管形对冲火焰。通过对比平面拉伸火焰和管形拉伸火焰,突出了火焰曲率对H_2扩散火焰温度和NO排放的影响。分析显示正曲率提高火焰温度,负曲率降低火焰温度,由于NO生成对温度的敏感性,正曲率火焰的NO排放明显高于平面火焰,反之,负曲率火焰的NO排放大大低于平面火焰。     

激波和剪切层相互作用下的超音速射流

欠膨胀超音速射流处于螺旋模式下的中度欠膨胀时,其入射剪切层的激波具有很高强度,激波和剪切层发生了强烈的相互作用,远场辐射的拢动波出现了大间隔、交错的上下行类似螺旋锥面波形图像,该扰动波具有很强的向上游传播的指向性,导致上游噪声高于垂直喷嘴方向的声压级.而在相对压比较低的低度欠膨胀情况下,或高压比下的高度欠膨胀的情形,入射剪切层激波强度相对较弱,远场辐射没有大间隔、交错的上下行远场辐射 关键词： 超音速射流 啸叫 扰动波 激波 剪切层     

Polarized Fluorescence of Jet‐Cooled Indole

The polarization of indole fluorescence on excitation in the P, Q, and R branches of a purely electron transition has been investigated. Relations are given to calculate the fluorescence polarization with arbitrary orientation of the dipole moments of transitions with absorption and emission and with excitation in the Q branch of the vibronic line. The coincidence of the measured (7.3%) and calculated (7.7%) values of the polarization degree confirms the reported intramolecular orientation of the dipole moment of transition. The measured fluorescence polarization degree on nonselective excitation is about 3%.