低速二维后向台阶流动中的壁面压强脉动

为了能排除三维结构对涡脱和剪切层旋涡的影响,使用实验方法研究了一个小展高比（AR=0.125）的后向台阶流动.该实验台类似纯二维的Hele-Shaw Cell.流动被局限在两个平行且距离为5 mm的有机玻璃板之间.台阶高度H为40 mm,扩张比2:3.在台阶下游中央沿流动方向安装16个麦克风组成的传感器阵列采集壁面脉动压强.来流速度U₀在9~26 m/s之间连续可调.通过计算脉动压强分布、频谱,不同位置的相关性和相干性系数,发现并分析流动存在一个临界Reynolds数.流场在临界Reynolds数前后存在明显不同的流动特征.实验结果表明在低Reynolds数下依然存在剪切层的低频摆动;当Reynolds数大于临界Reynolds数时,分离后流动由涡结构传播的特性主导.      

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.     

eN方法用于高超声速圆锥边界层转捩预测的可靠性

eN方法基于扰动在边界层中线性演化过程中的幅值增长程度来预测转捩。以来流Mach数为6、不同壁面温度条件下不同钝度圆锥为研究对象,结合直接数值模拟和抛物化稳定性方程,从eN方法是否能够准确描述扰动在上述边界层中线性增长的角度,分析了该方法预测转捩的可靠性。研究结果表明,在小钝度或高壁面温度情况下,扰动在向下游的演化过程中从第1模态转变为第2模态,基于线性稳定性理论的eN方法变得不再可靠。壁面温度相同,头部钝度越大,eN方法越可靠;同等钝度下,壁面温度越低,eN方法越可靠。由于存在模态转换时,线性稳定性理论总是低估扰动的增长,因而对于给定的转捩判据N_T（可由某一工况实验标定给出）,若钝度减小或壁面温度增加到一定程度,eN方法给出的转捩位置比实际情况更靠后。重新标定转捩判据时,钝度越小,壁面温度越高,N_T的修正程度就越大。      

周向非均匀人流/出流条件下无叶扩压器敏感性分析

不稳定流动是高速离心压缩机内部流动的本质特征,其诱发机制往往受到关键结构参数与边界处流动条件的影响.本文以带有无叶扩压器的离心压缩机为研究对象,基于线性的全局稳定性理论,同时考虑涡黏性与分子黏性的作用,建立了基于无叶扩压器r-θ平面的二维稳定性分析方法,获得了流动失稳的直接全局模态;然后基于伴随方法获得了对应最不稳定特征值的伴随全局模态,结合直接与伴随模态构建了流场特征值的结构敏感性。最后考虑了射流-尾流流动结构,以及蜗壳非对称几何结构的影响,分别对周向非均匀入流/出流条件下的无叶扩压器流动进行了稳定性与敏感性分析。分析结果表明机匣侧出口回流对无叶扩压器全局稳定性具有关键作用;在无蜗壳时,射流-尾流结构对于全局稳定性的影响主要体现在失速团个数,而对失稳机理的影响较小;蜗壳的非对称结构导致流场重新分布,在距离蜗舌顺时针90°~135°位置出口壁面回流与入口回流相互作用,是诱发失稳扰动产生的主要因素。     

三维可压缩绕球流的整体线性稳定性研究

研究基于三维可压缩Navier-Stokes方程拟线化方法的整体稳定性问题的数值求解,采用隐式重启的Arnoldi方法求解其特征值问题.针对三维可压缩绕球基本流,研究其在亚临界参数Reynolds数Re=200,马赫数M=0.2,以及超临界参数Re=300,M=0.6下的整体稳定性问题.结果表明,Mach数的增加(直至M=0.6)对流场模态的转变没有定性影响.     

低雷诺数下钝体三维尾迹中的涡量符号律

钝体是目前各种工程中广泛应用的一种结构.钝体绕流的尾迹涡动力学也是经典的流体力学研究对象之一.本文通过直接数值模拟,针对低雷诺数下各种钝体结构的不可压缩绕流,当形成三维尾迹时,研究具有特定符号的涡量分布特征.通过分析两类钝体结构,基本的直柱体和受到几何扰动的柱体,总结并得到了更为广泛适用的涡量符号律.通过对比并分析这两类钝体结构,结合理论证明的结果,进一步厘清了对产生涡量符号律的这两类钝体结构之间的内在物理关联,即引起自然失稳的小扰动在惯性力作用下产生的表面涡量只能向下游演化发展,而几何扰动则根据扰动位置,产生的表面涡量可以向扰动上游或下游演化发展.从而可以推测所有钝体结构尾迹中的各种型式的涡脱落模态,从涡量符号律的演化角度来看,实际上是一致的,都是起源于壁面产生特定符号组合规律的∏型涡.     

粘性物质中正激波稳定性分析

用线性稳定性理论,分析粘性物质中的正激波稳定性问题.粘性物质中任意强度的一维激波,其稳定性问题可归结为处理复数范围内的特征值问题,该特征值问题由两个一阶常微分方程及一个二阶常微分方程构成.这些常微分方程的系数依赖于流动的基本流场的物理量及其梯度.所获得的特征值问题由一个四阶精度的有限差分离散求解.分析考虑物质粘性的金属铝中的正激波稳定性,可以看出,正激波运动是稳定的,并且激波速度对波前和波后的小扰动量的衰减有相反的作用,而物质粘性有致稳的作用.     

基于特征值方法的旋翼尾迹稳定性分析

给出一个旋翼尾迹线性化稳定性分析的方法.在该方法中,尾迹涡线被离散为直线涡段,尾迹的扰动归结为涡元端点的扰动,考虑了桨尖涡的自诱导和涡线的互诱导以及桨尖涡与桨叶的实际干扰.使用该方法,分别以UH-1H和AH-1G模型旋翼为例,对悬停和前飞状态的旋翼尾迹的稳定性进行计算和分析.结果表明:旋翼尾迹运动存在大于0的特征值,是内在不稳定的,且最大发散率随波数变化呈现出一定规律性;前飞与悬停状态不同,其最大发散率减小,不稳定性减弱.     

绝热超导磁体瞬态稳定模型及其数值解法

本文对绝热稳定超导磁体的瞬态稳定性问题进行较合理的物理抽象,得到简化的三维模型,并用数值方法直接求解、计算磁体临界能和特定扰动下的失超电流,结果与实验值符合较好.文章还结合数值解讨论了临界能与初始扰动及磁体各物性参量的关系.     

非宇称时间对称耦合器中的非局域孤子

研究了非宇称时间对称复数势下非线性耦合器中多类型非局域孤子的存在性和稳定性,发现基态孤子、偶极孤子、多极孤子分别从线性谱中不同的离散特征值分叉出来形成孤子族,其功率受非局域程度和传播常数的影响.在相变以下,各个类型孤子均在相对较低功率区间是稳定的.随着非局域程度的增加,基态孤子族的稳定区域变小,其他孤子族的稳定区域则变大.在相变以上,基态孤子则在相对中功率区是稳定的,并且从第二大离散特征值分叉出的偶极孤子不存在稳定区域.孤子线性稳定性分析结果中的特征值总是以共轭对的形式出现.此外,还研究了耦合系数对孤子态的影响.     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

Experimental and numerical study on instability structure of the supersonic mixing layer (Mc = 0.5)

The parameters of instability wave of supersonic mixing layer(Mc=0.5,M1=3.5/M2=1.4) are measured by flow visualization and calculated by means of two-dimensional direct numerical simulaitons of the compressible Navier-Stokes equations.In both cases of the mixing layer with harmonic disturbance or not,the comparative results indicate that the wavelength of the two-dimensional wave is equal to the vortex spacing in the streamwise direction because the difference between them is less than 1%.However,the measur...     

Nonlinear Rayleigh-Taylor instability in magnetic fluids between two parallel plates

A nonlinear stage of the two-dimensional Rayleigh-Taylor instability for two magnetic fluids of finite thickness is studied by including the effect of surface tension between the two fluids. The system is subjected to a tangential magnetic field. The method of multiple scale perturbations is used in order to obtain uniformly valid expansions near the cutoff wavenumber separating stable and unstable deformations. Two nonlinear Schrödinger equations are obtained, one of which leads to the determination of the cutoff wavenumber. The other Schrödinger equation is used to analyze the stability of the system. It is found that if a finite-amplitude disturbance is stable, then a small modulation to the wave is also stable. It is also found that the tangential magnetic field plays a dual role in the stability criterion. Finally, the magnetic permeability constants of the fluid affect the stability conditions.     

Mode selection in weakly unstable two-dimensional detonations

A formulation of the reactive Euler equations in the shock-attached frame is used to study the two-dimensional instability of weakly unstable detonation through direct numerical simulation. The results are shown to agree with the predictions of linear stability analysis. Comparisons are made with linear perturbation growth rates and oscillation frequencies as a function of transverse disturbance wavelength. The perturbation eigenfunctions predicted by linear stability analysis are directly validated through numerical simulation. Three regimes of unstable behavior – linear, weakly nonlinear, and fully nonlinear – are explored and characterized in terms of the power spectrum of the normal shock velocity for a Chapman–Jouguet detonation with weak heat release.     

Lower branch coherent states in shear flows: transition and control

Lower branch coherent states in plane Couette flow have an asymptotic structure that consists of O(1) streaks, O(R(-1)) streamwise rolls and a weak sinusoidal wave that develops a critical layer, for large Reynolds number R. Higher harmonics become negligible. These unstable lower branch states appear to have a single unstable eigenvalue at all Reynolds numbers. These results suggest that lower branch coherent states control transition to turbulence and that they may be promising targets for new turbulence prevention strategies.     

Stability characteristic of hypersonic flow over a blunt wedge under freestream pulse wave

To investigate the stability characteristic of hypersonic flow under the action of a freestream pulse wave, a high-order finite difference method was employed to do direction numerical simulation (DNS) of hypersonic unsteady flow over an 8° half-wedge-angle blunt wedge with freestream slow acoustic wave. The evolution of disturbance wave modes in the boundary layer under a pulse wave and a continuous wave are compared, and the wall temperature effect on the hypersonic boundary layer stability for a pulse wave disturbance is discussed. Results show that, both for a pulse wave and a continuous wave in freestream, the disturbance waves inside the nose boundary layer are mainly a fundamental mode; the Fourier amplitude of pressure disturbance mode in the boundary layer for a pulse wave is far less than that for a continuous wave, and the band frequency of the former is wider than that of the latter. All disturbance modes decay rapidly along the streamwise in the nose boundary layer. In the non-nose boundary layer, the dominant mode is transferred from fundamental mode into second harmonic. The transformation of dominant mode for a pulse wave appears much earlier than that for a continuous wave. Different frequency disturbance modes present different changes along streamline in the boundary layer, and the frequency band narrows around the second harmonic mode along the streamwise. Keen competition and the transformation of energy exist among different modes in the boundary layer. Wall temperature modifies the stability characteristic of the hypersonic boundary layer, which presents little effect on the development of fundamental modes and cooling wall could accelerates the growth of the high frequency mode as well as the dominant mode transformation.     

高精度有限差分法模拟Kelvin-Helmholtz不稳定性

 WENO有限差分格式有较高的分辨精度,适合复杂流场的计算,在国际上被广泛采用。本文利用WENO有限差分格式求解2维守恒型欧拉方程,实现了对无粘流体中Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟。速度剪切方向采用周期边界条件;扰动增长方向采用嵌边出流边界条件,一个不稳定波长分布64个网格。数值模拟给出的扰动幅值线性增长率与线性稳定性分析给出的结果很好符合,显示了该格式的有效性和精度。数值模拟给出了清晰的密度等值线,表明该方法还具有较好的界面变形捕捉能力。     

一维爆轰波在扰动来流中传播的数值研究

爆轰波在静止气体或定常来流中的传播得到了广泛研究, 然而在扰动来流中的传播研究较少。这方面的研究不仅是爆轰传播机制的重要组成部分, 还可为爆轰发动机的应用提供参考。文章基于两步诱导-放热总包反应模型, 开展了一维爆轰波在正弦密度扰动来流中的传播数值模拟。通过对数值结果分析, 获得了放热反应控制参数与爆轰波内在不稳定性的关系, 并在此基础上研究了扰动波长和幅值对一维爆轰波动力学过程的影响。研究发现, 在波前施加连续扰动会诱导爆轰波表现出更复杂的动力学行为, 且影响过程与爆轰波的内在不稳定性相关。对于稳定爆轰波, 扰动只在特定波长范围内引起前导激波后的压力振荡。对于不稳定爆轰波, 扰动会进一步强化其内在不稳定性。扰动幅值越大, 对爆轰波动力学过程的影响越显著。      

Inhomogeneous oscillatory structures in fractional reaction-diffusion systems

We perform a study of the two component fractional reaction-diffusion system with cubic nonlinearity. The linear stage of the system stability is studied for different values of the system parameters. It is shown that for a certain value of the fractional derivatives index, a new type of instability takes place with respect to perturbations of finite wave number. As a result, inhomogeneous oscillations with this wave number become unstable and lead to nonlinear oscillations which result in spatial oscillatory structure formation.