强引力场中活塞运动的球对称解

本文研究在强引力场中活塞的球对称匀速运动问题,对三种不同强度的引力场,用特征线法数值求解流体力学方程组,得出符合激波间断条件及稀疏波边界条件的解。文中详细地描述了活塞的运动图象、激波传播速度、活塞面上声速分布以及活塞扰动区流场,分析讨论了引力场对球对称活塞运动的影响。     

关于星系激波——一类扰动气体引力场的影响

如果假设物质的扰动引力场与星际气体的扰动密度成正比,以此来摸拟星系激波压缩气体所造成的扰动引力场,可以分析这类非线性气体流动解在速度平面上的性质。只有在超声速基本流动时,包含光滑跨声速流动所对应的那一根积分曲线,才可能存在周期的局部激波解;所有其他积分曲线都不存在有物理意义的周期解。而且,即使存在光滑的跨声速流动,若扰动引力场超过某一临界值,也就不再存在局部激波解。具体计算结果表明,这类情况可以存在星系激波宏图,激波可使星际气体的密度压缩,并增大3～4倍。当这类扰动引力场的强度非常弱时,其线性化波动解即为林家翘和徐遐生的线性密度波的结果。     

具有引力场的气体中激波传播的近似理论

本文在三维不定常流体力学特征理论的基础上,运用CCW方法,获得了激波速度的变化和激波阵面曲率、引力的大小和方向之间的解析关系,讨论了引力场对激波的加强和减弱的影响以及超新星爆炸中反弹激波的问题。利用得到的激波面积变化公式,给出了二、三维激波在引力场作用下传播问题的模拟处理方法。作为简单的例子,具体地研究了引力场变密度气体中强激波传播问题。     

密度波理论的自洽星系激波

本文将文献[1]中的解法应用到密度波理论的星系激波中,得到双臂的激波宏图。激波后的星际气体自引力场对总和扰动引力场有很大影响.本文还讨论了星系激波的一般性质,以及等效声速的变化对星系激波解的影响。     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

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。     

自由活塞激波风洞

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。      

基于level set的Eulerian-Lagrangian耦合方法及其应用

提出了一种基于水平集的Eulerian-Lagrangian耦合方法,其中Lagrangian方法采用相容显式有限元拉氏方法,Eulerian方法采用基于近似Riemann解的有限体积Eulerian方法,多介质界面处理采用新的水平集和Ghost方法计算. 给出了若干数值算例,包括激波管问题以及金属和气体的运动界面及其大变形问题,并分别与精确解和相容显式有限元拉氏方法的计算结果进行了对比. 数值结果表明,该方法计算结果正确,精度较高,能够准确捕捉物质界面,适用于处理大变形问题.      

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.      

复合材料层合板1:1参数共振的分岔研究

针对复合材料对称铺设各向异性矩形层合板的物理模型,在同时考虑了材料、阻尼和几何等非线性因素后,建立了二自由度非线性参数振动系统动力学控制方程,并应用多尺度法求得基本参数共振下的近似解析解,利用数值模拟分析了系统的分岔和混沌运动.指出了伽辽金截断对系统动力学分析的影响,以及系统进入混沌的途径.     

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

滑移爆轰作用下的金属复板运动

滑移爆轰作用下全属复板运动过程是一个二维不定常问题,迄今还没有个严格的解析解。本文在忽略引爆端部影响的定常假设下,根据Prandtl-Meyer的绕流理论和Lighthill的活塞理论给出了二维近似解析解。将不同质量比和不同爆速条件下的计算结果同闪光X光照片比较,通常,角度误差为1～2。     

球形气泡实验中肥皂膜运动特性的初步探讨

肥皂膜是激波加载球形气泡的实验研究工作中分隔不同气体的材料,它在激波加栽下的运动发展特征在已有工作中并未受到关注。本文对弱激波加栽球形气泡实验中肥皂膜的运动特性的分析认为,在肥皂膜的运动中存在着由激波和波后气流驱动导致的聚能射流运动现象,并用相关的实验结果进行了验证。由于肥皂膜的这种运动特性,在理论、实验和数值模拟研究中不应忽视它对球形气泡演化发展的影响。     

含灰气体激波结构的实验观察

利用激波管实验对含灰气体激波结构作了研究。在灰粒负荷率低于0.4及激波马赫数低于1.5的范围内测量了压力、激波速度及灰粒浓度。激波后冻结及平衡压力可用R-H关系很好地加以计算,但松弛区长度则较基于球定常运动的计算值短得多。实验中观察到耗散激波结构并发现灰尘的存在减少气流中的压力脉动。激波传播速度与基于“等效气体”模型计算值相符。     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

激波与爆轰物理研究进展专辑 序

激波作为气体动力学最具特色的基本物理现象之一,表现出强间断与非线性的物理特征.激波能够在超/高超速气流内部诱导漩涡,生产复杂的气体物理过程;激波能够诱导热化学反应,构成了高温气体动力学和凝聚态爆轰动力学的学科基础;激波还能够压缩可燃气体和可燃气固两相物质实现其自点火,形成能够以超声速自持传播的燃烧激波—–爆轰波.激波与爆轰物理的相关研究已经有一百多年的历史了,在各种爆炸现象的预防与弱化及其应用与防护方面;在天体物理领域的超新星和恒星的演化乃至宇宙大爆炸理论探索方面;在现代武器技术和医疗技术领域的应用方面发挥了日益重要的作用.特别是     

球面各向同性功能梯度球壳的自由振动

通过引入位移函数和应力函数,针对沿径向非均匀的球面各向同性弹性动力学的基本方程建立了两个解耦的变系数状态方程。利用层合近似理论,将变系数状态方程转化为常系数状态方程,并给出了相应的解。进而利用层间连续条件,得到关于内外球壳表面边界量的相应线性方程。由自由表面条件导出对应两类独立振动的频率方程。最后给出了算例,并讨论了材料梯度指标对球壳两类固有频率的影响。在地球动力学分析中有一定的应用前景。     

振动激发对高超声速气动力/热影响

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.     

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     

激波自管口出射后绕射与反射流场的数值计算

激波自激波管口出射后感生的波系图案,以及由它感生的超压场,可简化为二维非定常激波的绕射、反射问题.这个气体动力学方程组是非线性的,其解会随着时间自行产生间断.即使其初始值为连续函数,其解也可能出现间断.这就引起了困难.本文采用欧拉坐标、人工粘性、有限差分法来求解.为写出管口的边条件,首先找出一维管道气体流动的分析解,由此算出管口处的速度、压力、密度随时间变化的曲线.计算结果同实验做了比较,二者是一致的.我们曾对激波自管口出射后的绕射,激波在地面上的斜反射,激波与垂直挡板迎面相撞后的正反射,激波的爬坡过程,以及管口涡环的形成和发展的波系图案等用纹影法做了观测,同时对管口外由波系所感生的超压场分布做了测量.本文对激波自管口出射后绕射与反射流场做了数值计算.