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.     

固体粗糙界面与超声的非线性相互作用研究

本文提出了一种随机弹性接触界面与超声的非线性相互作用理论. 首先建立了描述随机弹性接触界面的模型, 然后分别研究了界面间应力-应变关系在线性简化模型、指数模型、高斯模型下与超声的非线性相互作用. 数值仿真和实验研究结果均表明高斯模型更适合描述固体接触界面. 本文在介观结构上解释了固体界面与超声的相互作用, 对工业超声无损检测裂缝、缺陷及损伤有指导意义. 关键词： 超声无损检测 固体粗糙界面 非线性效应     

二维平面激波折射的理论计算方法

围绕二维平面激波与物质界面作用,建立了流场波系结构的理论计算方法.首先分析了界面两侧激波独自沿界面传播过程,识别了两类正规折射和三类非正规折射;然后,根据两侧扰动沿界面传播的相对快慢,得到了三种不同的作用情形.与已有的Catherasoo方法相比,此方法:1)考虑了激波波后紧邻波阵面流场中扰动对界面附近折射的影响,区分了扰动的强弱及其是否可以追赶上激波阵面; 2)除了少数情形外,大都基于Euler方程精确解描述流场中波系相互作用.利用该方法对马赫数1.17的激波与空气/SF6界面作用进行计算,得到的波系结构与数值结果、已有实验数据基本一致,透射波阵面与水平方向夹角吻合程度优于Catherasoo结果;给出了反射波参数、界面偏折角度等,而Catherasoo方法不能计算这些参数.对于马赫数2.00的激波,通过比较不同介质密度比和界面倾角下的理论与数值结果,发现此方法对波系类型的识别比Catherasoo方法更为准确,且识别了波后强扰动追赶上激波形成三波结构的折射类型,后者无法识别此类型.上述结果表明,新方法具有良好的适用性,对波系类型的识别较已有方法的准确度更高,可获取更为丰富的波系结构...     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

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.     

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.      

固定温度界面对相变波传播规律的影响

冲击载荷作用下,相变波的传播及相互作用是一热力耦合过程。采用理论和实验相结合的方法研究了固定温度界面对相变波传播特性的影响。首先基于形状记忆本构模型和一维特征线理论分析了各类间断面和温度界面的基本相互作用规律,发现温度界面对相变波的作用与相变波强度及界面两侧温度的相对高低有关;然后进行了相变波在具有固定温度界面的形状记忆TiNi杆中的传播实验,并实时测量了相变波传播过程中的温度变化。实验结果与理论分析基本一致,冲击载荷作用下相变波不仅是物质间断面,还是移动的温度界面。     

激波诱导的液柱气液界面RM不稳定性的研究

为了进-步研究气/液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象,在水平激波管中进行了激波与单、双排液柱相互作用的实验.通过使用驱动气体为氮气、被驱动气体为空气,获得了马赫数为1.10与1.25的激波;通过更换不同尺寸的试件获得了初始直径不同的液柱。使用高速摄影仪记录了激波作用之后液柱失稳变形的详细过程,测量分析了不稳定性发展过程中,尖钉高度、气泡深度及混合区域宽度随时间的发展规律,并与理论分析中的公式进行了比较。     

理想磁流体中激波与矩形密度界面相互作用的数值研究

发展一套采用三阶WENO格式和混合GLM方法的理想磁流体数值方法,并对激波与矩形密度界面相互作用进行数值研究.通过圆极化阿尔芬波和旋转激波管问题对数值方法的稳定性和可靠性进行验证.在入射激波马赫数为10,界面内外气体密度比为10的情况,对比不同磁场中矩形密度界面的演变过程.结果表明,磁场能够减少界面上涡量的生成从而抑制界面不稳定性,并且磁场对界面的加速过程以及界面内外气体混合率有影响;而界面的存在将会使波后部分区域磁场增强;由于尖角的存在,矩形界面的发展与圆形界面不同.     

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。     

rGFM和level-set方法在水柱群和喷管流场计算中的应用

计算平面运动激波和水柱群相互作用以及喷管流场.在Descartes网格中利用level-set方法分别追踪气/水和气/固界面,采用rGFM方法处理气/水和气/固界面边界条件.将喷管内壁简化为气/固界面并施加固壁边界条件,内壁型线数据拟合采用三次样条插值.采用5阶WENO格式分别求解Euler方程、level-set方程和界面重新初始化方程.给出激波和水柱群相互作用流场密度纹影图和指定点p-t曲线以及喷管流场压力、密度云图和速度场.改进界面法线确定方法可提高Riemann问题构造精度.可分辨运动激波和水柱群作用产生的复杂激波波系,表明激波在各水柱界面的透射和反射、在列和行水柱界面的多次反射和透射.水柱群下游区域的激波波后压力下降,表明激波加热水柱群附近气流和反向运动的反射激波造成了激波衰减.喷管流场数值解和理论解相符.     

激波诱导液滴变形和破碎现象实验研究

本文介绍了用于激波诱导液滴变形和破碎现象研究的实验系统及方法,详细分析了激波与液滴相互作用以及液滴加速、变形和破碎过程,为进一步研究激波诱导的液滴内流场性质及气液相间相互作用对液滴变形和破碎的影响机制提供了基础实验数据。     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

Richtmyer-Meshkov失稳的数值模拟

利用五阶迎风紧致差分格式加群速度控制方法对激波与轻气体柱形界面的干扰问题进行直接数值模拟,并研究了涡量的产生及其发展和界面的变形,分析了柱形界面的失稳过程,得知在线性发展阶段,重气体以恒定的速度进入到轻气体中,并形成尖钉结构;在非线性发展阶段,在尖钉头部的两侧形成一对旋转方向相反的涡结构.同时证实了激波与界面的相互干扰有助于增加混合.并将所得的数值解与实验结果进行了比较.     

有流存在时三层流体界面波的二阶Stokes波解

以小振幅波理论为基础，利用摄动方法研究了有背景流场存在时密度三层成层状态下的界面内波，得到了各层流体速度势的二阶渐近解及界面内波波面位移的二阶Stokes波解，并讨论了界面波的Kelvin-Helmholtz不稳定性.结果表明：有流存在的情况下三层密度成层流体界面内波的一阶渐近解(线性波解)、频散关系及二阶渐近解不仅依赖于各层流体的厚度和密度，也依赖于各层流体的背景流场；界面内波波面位移的二阶Stokes波解不仅描述了界面波之间的二阶非线性相互作用，也描述了背景流与界面波之间的二阶非线性相互作用；当每层流 关键词： 界面波 均匀流 二阶Stokes波解 Kelvin-Helmholtz不稳定性     

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。     

ρ-VOF:一种可清晰模拟自由界面的两相流方法

文章通过对EFM(effective field modeling)模型进行简化, 消除了原模型的非守恒性项和非双曲性特性项, 发展了一种基于密度的气液两相流模拟方法: ρ-VOF方法.利用体积分数信息对控制单元内的自由界面进行重构, 得到了控制单元内流体的空间分布, 并采用AUSM+-up格式获得考虑气液流体接触间断信息的对流通量.新方法可统一处理激波间断和接触间断的相互作用, 保持自由界面的尖锐性, 并且其计算量与自由界面的空间复杂度无关.最后, 数值模拟了液体激波管气液激波管和气体激波跨二维液滴传播等问题, 并与文献结果进行对比, 验证了本方法在气液两相流模拟中的准确性.      

利用Ghost Fluid方法模拟激波与柱形界面相互作用

利用GhostFluid方法(后面简称Ghost方法)和γ-model方法,在同样的时空离散精度条件下,对激波与柱形界面相互作用的二维可压缩流场进行了直接模拟,并与实验结果相比较.从模拟结果看,在短时间内,Ghost方法和γ-model方法模拟的结果与实验结果基本相同,两种方法均正确地模拟出界面的位置、激波的强度和速度.但随着时间的发展,具有较大数值耗散的γ-model方法的计算结果与实验差别越来越大;而数值耗散较小的Ghost方法能较为正确地模拟界面的运动.     

界面追踪方法中的激波限制器研究

针对多介质流体界面追踪(Front Tracking)方法,通过在界面处构造Riemann问题,研究激波限制器应用过程中的若干基本问题.针对气-气和气-水界面问题,通过比较平均守恒误差、L₁误差和激波强度随参数的变化情况,给出激波限制器参数可以在0.3附近选取.同时,通过理论分析和数值算例发现,当有激波接近界面时,选择激波波后状态作为界面处Riemann问题的初始状态,数值模拟结果较满意.     

二维浅水波方程的数值激波不稳定性

研究二维浅水波方程的数值激波不稳定性问题.线性稳定性分析和数值实验表明,格式的临界稳定性与数值激波的不稳定现象有重要的联系.基于扰动量的增长矩阵分析,本文将高分辨率的数值格式和HLL格式进行特定的加权,设计一类新的混合型数值格式.其中可以调节非线性波速的HLLC与HLL的混合格式,数值试验展示了消除浅水波方程激波不稳定现象的有效性和鲁棒性.