由激波诱导产生的二维圆柱上的非定常阻力

激波管是一种具有结构简单、参数可调范围大和使用方便等特点的气体动力学试验装置。因此,它在跨声速和超声速流的实验研究中得以广泛地应用。但由于激波管中气流的持续时间很短(通常为毫秒量级),所以在激波管中直接测量试验模型上的压力分布等气动参数将是十分困难的。本文利用马赫-曾德干涉仪在激波管中拍摄出激波在二维圆柱上的绕射和反射时的干涉图,直接给出了整个流场的密度分布。再由波后气流满足等熵关系式,可以计算得到流场的压力分布和非定常阻力的大小。     

高超声速层流尾迹的数值模拟

本文利用无波动、无自由参数、耗散的差分格式(NND格式),通过求解NS方程,数值模拟了高超声速层流尾迹的流动,清晰地给出了主激波、拐角膨胀波、迹激波及自由剪切层,所得流场物理量的分布与实验结果甚为一致。计算发现了底部迴流区由起始向定常的发展中,在瞬时流线图上经历了极限环形成、胀大、缩小、再胀大最后消失的演变过程。     

反平面弹性中边缘内分叉裂纹的奇异积分方程解法

利用复变函数和奇异积分方程方法,求解反平面弹性中半平面边缘内分叉裂纹问题。提出了满足半平面边界自由的由分布位错密度表示的半平面中单裂纹的基本解,此基本解由主要部分和辅助部分组成。将半平面边缘内分叉裂纹问题看作是许多单裂纹问题的叠加,建立了以分布位错密度为未知函数的Cauchy型奇异积分方程组。然后,利用半开型积分法则求解奇异积分方程,得到了裂纹端处的应力强度因子。文中给出两个数值算例的计算结果。     

基体裂纹与界面刚性线的弹性干涉

研究两种材料界面上的刚性线与其它任意位置处直线裂纹弹性干涉的反平面问题。基于界面上刚性线与任意位置处螺型位错干涉的基本解,运用连续位错密度模型法将问题转化为奇异积分方程。用半开型积分法求解奇异积分方程,得到位错密度函数的离散值,计算裂纹尖端处的应力强度因子。算例说明该方法可用于工程实际问题。     

飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征.研究结果表明:(1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合,在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力.(2)发动机内形成激波与反...     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大, 在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象, 流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关. 通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼?恩斯科近似解, 构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程, 并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性, 证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性, 给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系, 基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式. 在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动, 并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析, 结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置, 尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好, 验证了新模型的有效性和可靠性, 同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.      

裂纹与薄型夹杂物的互相干涉问题

本文研究裂纹和夹杂互相干涉的弹性力学的平面问题.一对位错和一对集中力的格林函数被分别用以形成裂纹和夹杂.所得积分方程适合于任意相对方位和尺寸的一个裂纹和一个夹杂.文中描述了裂纹尖端附近应力场的奇异性.对夹杂尖端附近应力场的奇异性给了特别的注意,并为夹杂尖端的应力强度因子作了定义.对各种不同的裂纹夹杂几何情况和不同的夹杂刚度作了数值计算.根据这些数值结果——裂尖和夹杂尖端的应力强度因子,分析、讨论了裂纹夹杂的各种几何参数以及夹杂-母体材料刚度比对裂纹-夹杂互相干涉效应的影响.     

竖直平面激波与水平热层作用后流场的理论计算方法研究

围绕竖直平面激波与固壁附近水平热层作用问题,提出了流动进入准自相似阶段后固壁附近流场参量的理论计算方法。与已有的Mirels方法相比,本文的方法在下列三个方面进行了改进:（1）舍弃“热层内激波速度与入射激波速度相等”的假定,分析了热层内激波的传播过程,并基于几何激波动力学理论计算热层内激波强度;（2）假定在与入射激波后流体而非入射激波阵面固连的坐标系中,波后流体在定常等熵波作用下,形成沿固壁运动的“活塞”,驱动其前方的热层气体运动;（3）“活塞”内流体与其毗邻的热层气体满足压力和速度连续,不再引入速度比例系数。利用改进后的方法,对于马赫数为2.00的竖直平面激波,在不同热层密度条件下进行计算。本文方法得到的热层内激波强度以及物质界面处的压力、速度和密度等参量,与数值模拟结果偏差均小于10%,优于Shreffler和Mirels计算方法。对于马赫数为1.36的竖直平面激波,当其传播速度小于热层内气体声速时,Shreffler和Mirels计算方法不再适用,而本文中提出的方法得到的计算结果与数值模拟结果和已有实验数据基本吻合,最大偏差约20%。上述结果表明,本文中提出的理论计算方法提高了现有方法的合理性,扩大了适用范围。     

简支梁桥系统诱发周边场地随机振动响应分析

基于平稳随机振动理论和环境振动传播链条的随机性,将车辆简化为两自由度模型,考虑简支梁桥上车辆移动系统与桥面接触处不平顺产生的随机激励,并假设:车辆分布满足均匀分布;桥墩为基底固定的柱;地面为弹性半空间体,推导得到车-简支梁桥系统诱发地表振动响应的功率谱密度函数计算公式.通过参数分析和计算仿真的结果表明:简支梁桥系统对地表作用力的平均功率谱密度函数有三个峰值,车辆力学模型的自振频率决定了左起第一个峰值和第二个峰值的位置,桥梁的竖向刚度决定了平均功率谱密度函数的第三个峰值的位置,且频域分布密度主要集中在0~120Hz;频率为0~21Hz时,弹性半空间垂直加速度响应功率谱的幅值随Rayleigh波波速的增加而减小,频率大于31Hz后其幅值随Rayleigh波波速的增加而增大;通过与实测分析结果对比,可知本文理论分析结果能够大致反映环境振动频谱的分布范围(10~100Hz),一定程度上验证了本文分析方法的正确性.     

关于超音速流中运动激波若干问题的研究

研究了在无粘完全气体流中的运动激波 ,讨论了激波运动速度D和来流速度U对激波后气流参数的影响 ,包括对激波后的总焓比值和总压比值以及对流转角的影响。计算结果表明它们不同于通常静止激波下所得到的结果。该内容涉及到超音速射流与障碍物或空腔体相互作用时出现的失稳状态下激波的振动和空腔体底部的反常加热问题。     

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响,利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息,并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此,利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数,并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明,夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好;矿体下盘距离矿体方向越远,岩体完整性系数和岩体力学参数越低;利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致,计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因,可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

稀薄流到连续流的气体运动论模型方程算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数可描述不同流域气体流动特性的气体分子速度分布函数的简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散差分格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。推广应用改进的Gauss-Hermite无穷积分法和华罗庚－王元提出的以单和逼近重积分的黄金分割数论积分方法等，对离散速度空间进行宏观取矩获取物理空间各点的气体流动参数，由此发展一套从稀薄流到连续流各流域统一的气体运动论数值算法。通过对不同Knudsen数下一维激波管问题、二维圆柱绕流和三维球体绕流的初步数值实验表明文中发展的数值算法是可行的。     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim 高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.     

激波风洞高低压段钢膜片破裂特性研究

激波风洞是用于高超声速飞行器气动外形设计和优化的常用地面试验装置,基于爆轰驱动技术,激波风洞能够在短时间(毫秒级)内产生高温、高压的驱动气体来模拟高超声速试验气流.主膜片位于激波风洞中的爆轰驱动段和激波管段之间,试验时膜片在爆轰脉冲压力下打开,膜片的打开状态和脱落情况对激波风洞气流品质有很大的影响. 同时,膜片也是形成激波的先决条件. 传统的风洞采用铝质膜片进行试验,在激波风洞中需要承压能力更强的膜片, 此时铝质膜片不再适用, 需要采用钢质膜片.因此, 对激波风洞中的钢膜片破裂特性进行研究很有必要.将数值计算结果与试验结果进行比较, 发现数值计算结果与试验结果吻合得比较理想,计算结果具有可靠性. 基于膜片的应力-应变模型, 建立了膜片打开的动力学模型,根据CJ爆轰理论, 采用有限元软件计算模拟了膜片破裂的过程,分析总结了膜片破裂的机制和力学特性规律.采用控制变量法对不同厚度和凹槽长度的膜片进行分析研究,得到了膜片破膜压力和有效破膜时间的变化规律. 在激波风洞试验中,根据膜片总破膜时间设计了适用于JF-12复现风洞的膜片参数.      

物面引射对滑移边界条件的影响

讨论壁面有引射的滑移边界条件的提法．利用Ｃｈａｐｍａｎ Ｅｎｓｋｏｇ速度分布函数,通过分析Ｋｎｕｄｓｅｎ层外缘和壁面处的质量、动量和能量等通量守恒,得到了有壁面引射的多组元气体有催化反应的壁面滑移边界条件方程组．利用粘性激波层方程和所得的边界条件对钝头体绕流驻点区的流场进行了计算,讨论了物面引射对边界上诸量及流场的影响     

MGFM在强激波与物质界面作用中的应用

原始的虚拟流方法(GFM)在计算强激波和物质界面作用时无法得到正确的计算结果,而改进虚拟流方法(MGFM)处理这类问题的能力大大提高.本文用Level set捕获物质界面,用MGFM方法定义虚拟流节点参数,Euler方程采用HLLC格式离散求解,完成了强激波和物质界面作用的一维和二维数值实验.结果表明改进虚拟流方法在强激波与物质界面作用中的应用是成功的.     

平面环形域单裂纹问题的弹性力学解

平面环形域的裂纹问题,是一个尚未很好解决的重要问题。本文在文献[2]的基础上,结合使用Muskhelishvili的复函数方法求解了此问题。获得以裂纹面位错密度函数表示的环形域单裂纹问题的解析解,而位错密度函数由求解一组带柯西核的奇异积分方程得到。文中的几个数例均绘成了应力强度因子的曲线图,本文给出的解对研究环形域上的一般径向裂纹系有重要作用。     

激波管

在流体力学的实验研究工具中,没有任何一种设备,在应用范围的广度上,能与激波管(及其改型)相匹敌。第二次世界大战以来约三十年中,激波管获得了极大的发展,在激波动力学与气体的非定常运动,高超声速气体动力学与热交换,高温气体物理学,化学反应动力学,以及等离子体和电磁流体动力学等学科领域内,都用它来进行广泛的基本理论的实验研究。激波管最大的优点是能把被研究的气体准确加热到预期的速度、压力和焓值。速度可达几万米/秒;压力上万个大气压;温度高达几万度。它的缺点是试验时间短暂,一般约为毫秒量级。因此对测量技术的要求较高。经过达二、三十年的努力,激波管的测量技术,比它