冲击加载下“V”形界面的失稳与湍流混合

采用多组分混合物质量分数模型和最小色散可控耗散格式的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击不同角度的"V"形空气/SF_6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.激波冲击界面后,在界面附近沉积涡量,形成沿界面规则排列的旋涡结构,同时界面扰动发展形成气泡和尖钉结构.本文统计了界面左端移动速度和界面混合宽度增长率等特征量的演化规律,并与已有的实验结果进行了对比,两者符合较好.讨论了物质界面处的流体向湍流混合发展的过程,随着界面旋涡结构的演化,涡结构之间开始发生相互诱导、并对等现象,并逐渐聚集在几个区域,而多尺度结构也因旋涡的诱导作用在这些区域中产生.通过对由雷诺数定义的惯性尺度进行分析,发现了具有上下边界的惯性尺度区域的形成,对动能能谱的分析发现了-5/3对数率的出现,这同样说明了惯性尺度区域的形成.由于湍流混合转捩与惯性尺度区域的形成是一致的,界面附近流场将发展为湍流.     

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.     

激波汇聚效应对球形气泡演化影响的数值研究

利用三维程序,对比研究了汇聚激波及平面激波冲击下SF6球形气泡演化规律的异同,以期发现激波的汇聚效应对界面演化的影响.三维程序采用多组分可压缩欧拉方程,基于有限体积法,利用MUSCL-Hancock格式进行数值求解,可以达到时间和空间的二阶精度.相比平面激波,汇聚激波由于存在曲率,且激波强度以及壁面效应在汇聚激波运行的过程中逐渐增强,使得激波冲击后的流场演化有较大的不同.计算结果表明:汇聚激波作用下,气泡界面的涡结构更加尖锐;气泡内部的透射激波聚焦程度更强,在界面下游附近形成的最高压力大于平面激波算例,由此产生的射流运动速度更快;由于汇聚激波曲率及激波强度的变化,导致界面上涡量的分布规律以及涡量幅值产生较大变化.通过界面上产生的环量以及界面内外气体混合速度的对比表明,汇聚激波更有助于涡量的产生以及气体的混合.因此激波的汇聚效应对气泡界面演化具有重要影响.     

磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究

本文基于磁流体动力学方程组,在保证磁场散度为零的条件下,采用CTU+CT（corner transport upwind+constrained transport）算法,对有无磁场控制下激波与重质或轻质三角形气柱相互作用过程进行数值研究.结果表明：无论有无磁场,两气柱在激波冲击下均具有完全不同的波系结构和射流现象.其中,入射激波与重气柱发生常规折射,形成介质射流,而与轻气柱作用则发生非常规折射,形成反相空气射流.无磁场时,气柱在激波冲击下,产生Richtmyer-Meshkov和Kelvin-Helmholtz不稳定性,界面出现次级涡序列,重气柱上下角卷起形成主涡对,轻气柱空气射流穿过下游界面后形成偶极子涡.施加横向磁场后,次级涡序列、主涡对以及偶极子涡均消失.进一步研究表明,在磁场作用下,洛伦兹力将不稳定性诱导产生的涡量向界面两侧的Alfvén波上输运,减少界面涡量沉积,抑制界面卷起失稳.最终,涡量沿界面两侧形成相互远离的涡层,界面不稳定性得到控制.此外,定量分析表明磁场能加快两气柱上游界面的运动,抑制下游界面的运动,且对轻气柱的控制效果更好.     

微尺度涡流发生器尾迹涡的发展及其对激波边界层干涉的控制

采用数值模拟的方法研究了超音速流动中斜坡型、双排斜坡型和分裂斜坡型三种不同微尺度涡流发生器诱导的尾迹涡耗散过程和发展轨迹,并对比分析了不同结构涡流发生器布置对激波边界层干涉的控制作用效果。研究结果表明,研究的三种涡流发生器结构诱导的逆旋涡之间具有相互弱化作用。双排斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化作用最强,斜坡型涡流发生器次之,分裂斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化趋势最弱,涡量更易在下游边界层中得到保持。涡流发生器产生的逆旋涡在互相诱导的作用下逐渐向远离壁面边界层的方向移动,分裂斜坡型和双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的运动轨迹均较斜坡型涡流发生器的尾迹涡更为平缓。双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的趋势更显著弱于分裂斜坡型涡流发生器,有利于保持尾迹涡在边界层内部,提升边界层的抗分离能力。在两种因素综合作用下,双排斜坡型涡流发生器对激波边界层相互作用具有最优的控制效果,分裂斜坡型涡流发生器的控制效果次之。     

激波冲击V形界面的RM不稳定性实验研究

在激波管中实验研究了二维V形空气/SF6界面在入射激波和反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性发展规律。实验中采用细针约束肥皂膜的方法形成了精确可控的V形初始界面,利用高速纹影技术获得了受冲击的V形界面演化图像。通过改变初始V形界面顶角表征初始扰动振幅,获得了不同初始振幅条件下的波系和界面演化。结果表明,不同顶角下,入射激波冲击过后,界面形态表现出明显的差异,进一步导致反射激波冲击后界面形态的多样性。当顶角较小时,反射激波在界面内外引起复杂的波系结构,从而对界面形态及反相现象产生较大的影响。反射激波的二次作用使流场快速进入湍流混合状态,并且顶角较小时流场趋于各向同性发展。对反射激波作用后的界面混合宽度进行了测量,并与理论模型预测结果进行对比,发现理论模型不能很好地预测混合宽度的增长,主要是因为反射激波作用之后流场并没有完全达到湍流混合状态,不符合理论模型的适用条件。     

应用多介质PPM方法计算斜激波与物质交界面的相互作用

利用多介质PPM方法研究斜激波与物质交界面的相互作用.采用与体积分数耦合的Euler方程组作为计算模型,用双波近似来求解一般刚性气体状态方程Riemann问题.通过体积分数的计算来获得界面的位置,在整个流场采用统一的高阶PPM格式进行计算.文中对斜激波与不同物质界面相互作用进行了数值模拟,并给出了交界面上由于斜压效应产生的涡列的演化过程,特别是强斜激波与不同物质界面的相互作用的情况.     

激波沿H2／空气界面绕圆、方柱强化混合的数值研究

用迎风TVD格式求解二维、层流全N－S方程,对激波沿H2和空气界面绕圆、方柱流动及其诱导的剪切混合进行了数值模拟,得到了流场的压力和组分密度分布,计算结果表明：激波在H2传播得快,剪切层中出现吸涡和调节激波,卷吸涡与柱体撞击后,反射出一道激波,H2沿柱体表面向下游扩散,H2／空气接触面与柱体分离后,形状畸变并产生新的卷吸涡。H2分布表明：在办面上加圆柱或方柱,可有效地强化燃料混合,方柱的增强效果更明显此,在圆柱表面,H2、空气中激波均发生由RR向MR的转变,两Mach杆在下游相互透射,对于方柱,H2中激波中激波沿下表面传播几乎不受影响,空气中激波沿上表面发生Mach反射,其Mach杆和H2中绕射激波相互透射,柱体左侧最终形成一脱体激波,流场存在激波、卷吸涡、接触面向的相互作用,但波系结构相似。     

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.     

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。     

Large-eddy simulation of impinging jets on smooth and rough surfaces

We performed large-eddy simulations (LES) of forced impinging jets over smooth and rough surfaces, containing large-scale, azimuthal vortices generated by the enhanced primary instability in the jet shear layer. The interaction between these vortices and the turbulence in the wall jet that is formed downstream of the impingement region determines their rate of decay. To explore the surface-roughness effects on the evolution of the vortices, sand-grain-like surfaces are generated using uniformly distributed but randomly oriented ellipsoids. The flow is compared to our previous LES of jets impinging on a smooth surface. In spite of the severe modification caused by the roughness on the near-wall flow, the vortex development is not significantly altered. Slightly faster decay of the primary vortices is observed in the rough-wall case compared to the smooth-wall one; the secondary vortex that detaches from the wall and is lifted up has larger vorticity. The highly disturbed near-wall flow is advected outward and affects the evolution of the primary vortex for a longer period during the vortex interaction. The robust turbulent generation mechanism in the outer shear layer, however, mitigates the changes in vortex behaviour. The momentum deficit and the enhancement of turbulence due to the surface roughness play a key role during this process.     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

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.      

Large scale dissipation and filament instability in two-dimensional turbulence

Coherent vortices in two-dimensional turbulence induce far-field effects that stabilize vorticity filaments and inhibit the generation of new vortices. We show that the large-scale energy sink often included in numerical simulations of statistically stationary two-dimensional turbulence reduces the stabilizing role of the vortices, leading to filament instability and to continuous formation of new coherent vortices. This counterintuitive effect sheds new light on the mechanisms responsible for vortex formation in forced-dissipated two-dimensional turbulence, and it has significant impact on the temporal evolution of the vortex population in freely decaying turbulence. The time dependence of vortex statistics in the presence of a large-scale energy sink can be approximately described by a modified version of the scaling theory developed for small-scale dissipation.     

Direct Numerical Simulation of Three-Dimensional Richtmyer--Meshkov Instability

Direct numerical simulation （DNS） is used to study flow characteristics after interaction of a planar shock with a spherical media interface in each side of which the density is different. This interracial instability is known as the Richtmyer-Meshkov （R-M） instability. The compressible Navier-Stoke equations are discretized with group velocity control （GVC） modified fourth order accurate compact difference scheme. Three-dimensional numerical simulations are performed for R-M instability installed passing a shock through a spherical interface. Based on numerical results the characteristics of 3D R-M instability are analysed. The evaluation for distortion of the interface, the deformation of the incident shock wave and effects of refraction, reflection and diffraction are presented. The effects of the interracial instability on produced vorticity and mixing is discussed.     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

Large-eddy simulation of impinging jets with embedded azimuthal vortices

We have carried out large-eddy simulations of an impinging jet with embedded azimuthal vortices, a model of the wake of a helicopter hovering in ground effect. The azimuthal vortices are generated by sinusoidal forcing of the velocity at the jet exit. They strengthen while they are advected towards the ground; when they are close to the solid surface, a layer of opposite-sign vorticity is formed at the wall, and lifted up to form a secondary vortex that interacts with the primary one. Regions of reversed flow are caused by the strong, localised, adverse pressure gradient. After this interaction, the primary vortices begin to decay, mostly due to the Reynolds shear stresses, which contribute to the turbulent diffusion of vorticity term in the budget of the phase-averaged azimuthal vorticity. This mechanism is extremely robust, and plays the most important role in the vortex decay even if no turbulence is initially present in the jet, or if the no-slip condition is removed. A three-dimensional instability also plays a role: removing it leads to slower decay. Our results also point out some challenges for turbulence models for the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations.