激波冲击R22重气柱所导致的射流与混合研究

基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流. 关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 R22重气柱 反射激波 射流     

入射和反射激波诱导重气泡变形和失稳的三维数值研究

 采用大涡模拟方法,对入射激波及其反射激波诱导球形重气泡的变形失稳过程进行了三维数值模拟,利用已有实验验证了计算模型的可靠性,重点考察了反射激波与已经失稳的气泡界面的再次作用,讨论了涡环的形成及其三维失稳的过程。研究结果显示：入射和反射激波与球形重气泡作用产生斜压效应,会在流场中产生旋转方向截然相反的多个涡环;反射激波诱导的涡环具有较小的强度,故更加容易失稳,甚至能完全形成具有流向涡量的复杂小尺度涡结构。     

激波与SF_6梯形气柱相互作用的数值模拟

基于大涡模拟,结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF_6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟,数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程,详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程,并研究了该过程中所产生的复杂波系结构,对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析;通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析。     

入射和反射激波诱导轻气泡变形和失稳的计算

采用NS方程对激波诱导球形轻气泡的变形失稳过程进行三维数值模拟,验证本文模型的可靠性,讨论气泡变形、涡环形成及其三维失稳过程.结果发现:球形轻气泡在入射和反射激波先后作用下,可以变形并沿流向形成多个旋转方向不同的涡环,而斜压效应是产生这些涡环的主要原因,涡环不仅在自诱导效应和流场作用下运动,而且自身会受到扰动而发生方位角不稳定.当涡环形成以小尺度流向涡为主的复杂结构时,即有可能诱发流场湍流化.     

SF6分子的10.6μm高分辨射流冷却激光吸收光谱

六氟化硫(SF₆)是一种长寿命的温室气体,其红外吸收光谱对模拟大气辐射平衡非常重要. SF₆也是研究激光分离同位素原理和技术的典型体系之一.由于SF₆分子较重,其室温下的红外光谱非常密集,给利用吸收光谱技术监测不同SF₆同位素分子的相对浓度带来很大困难.本文利用超声射流冷却和像散型多程吸收池技术,测量了32SF₆和33SF₆同位素分子在10.6μm波段的高分辨红外激光吸收光谱.处于振动基态的32SF₆和33SF₆分子在狭缝型超声射流中的转动温度约为10 K,谱线线宽约为0.0008 cm^–1.在此条件下观测到了SF₆一个新的热带,其Q支的位置在941.0 cm^–1附近.将其初步归属为32SF₆的(v1+v2+v3)–(v1+v2)带,对该热带进行简化的转动分析,并讨论利用该热带和33SF₆的v3基频带进行...     

预电离间隙在不同气体介质中的正负极性击穿特性

针对自触发预电离开关在不同电压等级下应用不同气体介质的需要,以及在双边驱动电磁脉冲模拟器中加载正负极性脉冲的需求,研究了预电离间隙在N₂、N₂/SF₆混合气和SF₆中正负极性下的击穿特性。研究了不同介质中间隙的击穿电压和时延随气压的变化规律,对比了正负极性下的间隙击穿特性。研究结果表明,在本文实验条件下,预电离间隙在N₂中的击穿过程相对更为稳定,且N₂中击穿电压随气压变化线性度最佳。相比N₂和混合气,间隙击穿电压仅在SF₆中随气压增大呈现饱和趋势。在一定气压范围内,N₂在负极性下的击穿电压略高于正极性,混合气和SF₆中负极性下的击穿电压明显高于正极性,间隙的击穿过程具有一定的极性效应。相比混合气和N₂,间隙在SF₆中的正负极性击穿电压绝对差值和击穿时延绝对差值都相对较高,为减小双边自触发预电离开关的同步时延差,应首选N     

波后滑移线引起的界面变形和R-M不稳定性

实验研究复杂波形结构引起平面界面变形和反射激波冲击下的R-M不稳定性的问题.在竖直激波管中生成稳定的N₂/SF₆平面界面,激波在圆柱绕射后,冲击平面界面,由此研究复杂激波引起的界面变形.平面激波在圆柱绕射后的流场,演化成具有初始入射波、三波点、弯曲反射波、Mach波和Mach反射产生的滑移线等复杂结构.研究复杂结构激波对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.绕柱激波冲击后,平面界面仅在两对滑移线内部发生变形.绕柱激波冲击界面后,两对滑移线将界面分成"内界面"和"外界面",界面变形形态同滑移线和界面相交位置相关.反射激波二次冲击下,界面扰动的增长与Jacobs-Sheeley涡量模型较吻合.      

基于波传播算法的火焰不稳定性

基于波传播算法构造了多组分反应流的数值格式,利用CH4空气基元反应动力学模型,并采用分离算法,对CH4空气混合物中,入射激波与火焰的相互作用,以及反射激波与火焰的二次作用过程进行了数值模拟.根据计算结果,讨论了激波诱导火焰失稳的发展过程及其特点.结果表明,Helmholtz不稳定、RichtmyerMeshkov不稳定以及反应放热速率对火焰失稳过程有重要影响.计算结果与实验结果进行了比较,对数值方法的有效性进行了验证.     

均匀电场SF6短气隙放电过程动态模拟

根据基本物理定律和流体力学,构建均匀电场下SF₆短气隙放电流体模型,运用通量校正传输法(flux-corrected transport)数值分析大气压下4 mm间隙SF₆的放电过程,展现放电空间带电粒子产生、复合、附着、扩散以及光致电离动态过程,获得了放电间隙电场畸变、带电粒子动力学行为和放电通道形成发展历程和时空分布,根据R-M判据求出模型放电过程中电子崩转向流注的时空临界点,印证了光致电离在流注发展阶段的重要作用.     

Richtmyer-Meshkov不稳定性强化混合参变机理

在不同参数条件下, 计算分析了H₂O和N₂等混合物界面上激波诱导Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性过程.采用有限差分方法数值求解了二维可压缩Navier-Stokes方程, 对流项以5阶特征紧致-WENO混合格式离散, 输运项以6阶对称紧致格式离散, 时间方向以3阶显式Runge-Kutta方法推进.研究表明, 界面振幅和激波强度增大, 均可增强界面附近涡量场, 强化混合.      

Holographic interferometric visualization of the Richtmyer-Meshkov instability induced by cylindrical shock waves

Results of quantitative holographic interferometric flow visualization of cylindrical interface instability induced by converging cylindrical shock waves are reported. Experiments were conducted in an annular vertical co-axial diaphragmless shock tube, in which cylindrical soap bubbles filled with He, Ne, Air, Ar, Kr, Xe and SF₆ were co-axially placed in its test section. Pressure histories at different radii during the shock wave implosion and reflection from the center were measured. Diagnostic method base on double exposure holographic interferometry was applied for the measurement of turbulent mixing zone at the interface. The observed cylindrical interfaces were found to have a higher growth rate of turbulent mixing zone than that of the plane shock / plane interface.     

冲击波在空气和熔石英元件界面传播的超快诊断

基于球面波在弹性介质界面上的反射和折射特性的基本理论,采用超快时间分辨的光学诊断技术,研究了532nm纳秒激光辐照熔石英元件表面产生的冲击波在空气和样品界面的传播特性,获得了冲击波在材料内部传输以及在空气与样品界面反射的时间分辨图像。结果表明:激光脉冲与材料作用在前后表面产生了向体内传输的冲击波,且产生的冲击波在玻璃与空气界面处反射为两个波,即反射波和反射剪切波;反射波和反射剪切波的强度与入射冲击波的入射角有关。     

Effect of debris fragments on direct initiation of spherical detonation waves in stoichiometric oxygen/hydrogen mixtures

Paper reports a result of experiments of spherical shock waves generated by explosions of micro-explosives weighing from 1 to 10 mg ignited by the irradiation of Q-switched laser beam and direct initiation to a spherical detonation wave in stoichiometric oxygen/hydrogen mixtures at 10–200 kPa. We visualized the interaction of debris particles ejected micro-explosives’ surface with shock waves by using double exposure holographic interferometry and high-speed video recording. Upon explosion, minute inert debris launched supersonically from micro-charge surface precursory to shock waves initiated spherical detonation waves. To examine this effect we attached 0.5–2.0 μm diameter SiO₂ particles densely on micro-explosive surfaces and observed that the supersonic particles, significantly promoted the direct initiation of spherical detonation waves. The domain and boundary of detonation wave initiations were experimentally obtained at various initial pressures and the amount of micro-charges.     

Autoignition of propane–air mixtures behind reflected shock waves

Ignition times and autoignition modes for propane–air mixtures have been studied behind reflected shock waves. Experiments were performed over temperatures between 1000 and 1750 K, pressures between 2 and 20 atm, and equivalence ratios of = 0.5, 1.0, and 2.0. Ignition delay times were determined using pressure measurements, C₂ emission profiles, and luminosity measurements in the visible spectrum (380–680 nm). Empirical correlations for ignition time for low temperature (1000–1300 K) and high temperature (1300–1800 K) ranges have been deduced from the experimental data. Different autoignition modes of the mixture (strong, transient, and weak) were identified by comparing velocities of reflected shock wave at different distances from the reflecting wall.     

激光引致激波演化数值研究

在高重复频率激光推进的研究中,激波的合并是发生在激波演化后期的,同时由于脉冲间隔短,脉冲宽度对流场演化的影响也需要详细研究。考虑了激光辐照过程对流场演化的影响,通过数值计算对激波演化特性进行了研究。结果表明,初期波阵面的椭球形状逐渐转化为一个球形,球心与击穿点的距离随时间逐渐减小并最终趋于稳定。基于激波合并的应用,当激波马赫数在1~2之间时,给出了激波波阵面半径随时间的变化规律,以及激波高压区长度和波峰压强随激波波阵面半径变化规律的经验公式。     

Experimental observations of flame acceleration and transition to detonation following shock-flame interaction

Observations are presented from experiments where laminar flame bubbles were perturbed successively by incident and reflected shock waves. Significant flame acceleration was observed in many instances, with the flame closely coupled to the reflected shock wave. The coupled waves are interpreted using a generalized Hugoniot analysis. As the incident shock velocity increased, detonation emerged near the highly convolved reaction zone. Prior to detonation the external visual attributes of the combustion fronts appear identical to turbulent combustion. However, they cannot be due to classical isotropic turbulence. The overall conclusion is that the observed enhancement of combustion is driven by chemi-acoustic interactions and related gas-dynamic effects. An analysis of the prevailing thermodynamic states suggests that thermal auto-ignition chemistry could also play a significant role prior to the onset of detonation.     

激波冲击火焰的流动拓扑研究

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.