平面弱激波加载下球形气泡演化的实验研究

 利用高速摄影机直接观测了激波加载下球形气泡的演化过程。采用白色的烟雾颗粒对气泡内透明的测试气体进行染色,直接观察到了气泡界面。通过对平面弱激波加载下轻气体气泡和重气体气泡进行研究,成功验证了轻气体气泡和重气体气泡演化过程中出现的典型界面结构,获得了弱激波加载轻气体气泡中背风涡环的环状几何结构。运用相关方法分析了轻气体气泡实验初期的流场分布,得到的结果与理论分析结果吻合得很好,对于此类实验的数据处理具有一定的启发意义。同时,实验中使用的烟雾颗粒法为今后在球形气泡实验中引入更为精确的平面激光诱导荧光技术（PLIF）、激光粒子图像测速技术（PIV）等实验测试系统提供了布撒示踪粒子的范例。     

激波与SF6球形气泡相互作用的数值研究

本文基于大涡模拟方法, 采用高阶精度格式对平面入射激波以及不同反射距离条件下的反射激波与SF₆重气泡相互作用过程进行了三维数值模拟. 数值结果清晰地显示了SF₆重气泡在激波作用下诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性过程, 揭示了入射激波以及反射激波在气泡界面聚焦诱导射流的过程, 详细分析了不同反射距离条件下反射激波与SF₆重气泡作用过程及流场结构.     

偏心对汇聚激波诱导的RM不稳定性影响的数值研究

数值研究汇聚激波与四种形状（圆形、小振幅单模、大振幅单模和正方形）的二维气柱界面相互作用,激波汇聚中心与界面同心和不同心（即偏心）时Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的发展规律,重点考察界面中心的压力及混合区面积在两种情况下随时间的变化.数值方法使用VAS2D程序,该方法采用有限体积法结合网格自适应技术,能够达到时间和空间的二阶精度.结果表明,偏心情况下RM不稳定性是其在同心情况下的扰动和偏心小扰动叠加的结果.在本文采用的偏心程度下（20%）,偏心对于圆形无扰动界面发展的影响主要表现在后期界面出现微小扰动结构;而对于单模和正方形这种原本有扰动的界面,偏心使扰动结构呈现不对称及扭曲,同时也影响了界面中心压力和混合区面积,因而加剧了不稳定性的发展.     

激光引致激波演化数值研究

在高重复频率激光推进的研究中,激波的合并是发生在激波演化后期的,同时由于脉冲间隔短,脉冲宽度对流场演化的影响也需要详细研究。考虑了激光辐照过程对流场演化的影响,通过数值计算对激波演化特性进行了研究。结果表明,初期波阵面的椭球形状逐渐转化为一个球形,球心与击穿点的距离随时间逐渐减小并最终趋于稳定。基于激波合并的应用,当激波马赫数在1~2之间时,给出了激波波阵面半径随时间的变化规律,以及激波高压区长度和波峰压强随激波波阵面半径变化规律的经验公式。     

运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证Level set方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Level set方程追踪多流体界面,采用GFM方法处理流体内界面.利用文[1]的计算结果校核本文程序.在此基础上,对运动激波和气泡串相互作用过程进行了初步数值模拟,得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图象,包括压力和密度等值线分布.计算结果表明:针对推广后的多界面Level set方程,该方法仍可高质量地捕捉多个流体界面.     

激波诱导双层气柱演化的偏心效应研究

实验与数值研究了平面激波诱导下双层气柱的演化规律.利用肥皂膜技术生成了3种双层气柱,通过固定内、外层气柱半径,改变内层气柱在流向方向上的位置,研究了双层气柱偏心效应对流场演化的影响.结果表明,当内层气柱向上游偏移时,外层气柱的上游界面在后期会产生朝向上游的射流;当内层气柱向下游偏移时,下游两道界面会较早地耦合在一起...     

激波作用下SF6气泡界面演化和射流发展的数值模拟

 数值研究了平面激波冲击氮气环境中SF₆气泡界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性,重点关注其中的激波聚焦及射流的产生和发展过程。在入射激波马赫数为1.23的情况下,给出了压力、密度、数值纹影和涡量等物理量的演化图像,定量分析了流场中压力最大值、密度最大值、射流速度、环量和斜压力矩随时间的变化关系。计算结果表明,平面激波冲击SF₆气泡过程有很强的聚能效应,在气泡内部靠近下游极点处发生激波近似理想聚焦和点爆炸现象,直接导致出现二次波系以及向下游运动的细长射流结构。相比入射激波,二次波系产生斜压力矩和涡量的能力要弱得多。     

高温超导块材磁通汇聚效应的数值模拟研究

高温超导块材在零场冷条件下感应产生的涡流可以有效地屏蔽外加磁场,从而改变空间磁场分布.通过合理的设计,该效应可以被用来约束、聚集磁通,从而增大局域磁通密度,对于需要高磁通密度和磁场梯度的应用具有重要意义.本论文利用基于H方程的二维有限元数值模拟,结合GdBa₂Cu₃O_7-δ材料实测的Jc(B,T)关系,研究了GdBa₂Cu₃O_7-δ超导块材的磁通汇聚效果,分析了超导块材的空间位置、工作温度及不同外加磁场对其磁通密度放大效果的影响.结果显示在30 K的温度下,外加11 T的外加磁场时,可以在间距为2 mm的两块超导块体间隙获得17.2 T的磁场,磁场放大效率达到56%.     

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。     

隔板深度对激波聚焦起爆影响的数值模拟研究

考虑几何结构参数对激波聚焦触发爆轰波的复杂影响,对H2/Air预混气的环形射流激波聚焦起爆现象开展了数值模拟研究,详细分析了不同隔板深度条件下的激波聚焦过程、流场演化特征以及爆轰波参数变化规律.研究结果表明,凹腔内激波聚焦诱导的局部爆炸以及隔板前缘处射流形成"卷吸涡"是引起爆轰波触发的两个重要机制,而隔板深度是影响环形...     

表面活性剂浓度对球形气泡界面和尾流的影响

发展了一种研究气泡界面污染程度的数值模型,并用其对流场中不同表面活性剂浓度下、上浮气泡的界面参量和周围流场进行了模拟研究。该模型假设吸附于气泡界面的表面活性剂分布在毗邻气液界面的薄吸附层中,且气泡界面上表面活性剂的吸附与解吸过程也发生于此;界面切应力为界面浓度的函数。研究发现:气泡界面的流动性会因表面活性剂的吸附而降低,该现象会增大气泡周围流域中切向速度在界面法向上的变化量,从而对界面性质和周围流场产生影响;由于对流的作用和吸附-解吸动态平衡的存在,气泡前部界面不完全干净,且受污染界面的流动性也不完全为零。     

非定常激波对气膜冷却影响的数值模拟

利用数值计算的方法研究了非定常激波对下游涡轮叶片表面气膜冷却的影响.冷却气流在激波和尾迹经过的过程中,发生了上扬和重新被压制回壁面的现象.考察了壁面上特定点在有气膜和无气膜情况下的换热量.通过计算发现,有气膜时的换热量有不同程度的下降,而且换热量随时间变化的趋势也发生了很大的变化.气膜的覆盖减小了主流场对壁面换热量的影响.     

气泡与弹性膜的耦合效应数值模拟

本文在前人研究的基础上,计入浮力、表面张力、不同流体密度比等因素对弹性膜附近气泡运动的影响,结合不可压缩理想流体理论,建立气泡与弹性膜耦合动力学数值模型,采用边界元方法进行求解,计算值与Turangan等的实验结果符合良好.通过对弹性膜附近气泡运动的数值模拟,详细分析了弹性膜两侧为同种密度液体以及不同密度液体时气泡的运动,随后又分析气泡在弹性膜和浮力的共同作用下气泡的射流特性.旨在为相关气泡与弹性膜相互作用特性的研究提供参考. 关键词： 弹性膜 边界元法 气泡 浮力     

化学反应机理对激波与可燃氢气泡相互作用影响的数值研究

通过含化学源项的Navier-Stokes方程对激波与可燃界面相互作用（RSBI）进行数值研究,讨论三种氢氧化学反应机理对点火过程、燃烧效率和面积压缩率等物理化学特征的影响.三种化学反应分别为：Evans-Schexnayder反应模型（ES模型）,Jachimowski反应模型（J模型）及Ó Conaire反应模型（Ó模型）.研究表明：ES模型下的气泡点火延迟时间最大,平衡温度最低且点火位置异于J模型和Ó模型.采用无量纲面积来表征激波和燃烧作用气泡的形变特征,结果表明：燃烧释热阶段的气泡面积对化学反应模型的选择非常敏感,其中J模型的面积膨胀率最高.然而对于模拟长期发展的RSBI流场燃烧效率,不同化学反应模型之间的差异相对缩小.由于ES模型难以准确捕捉点火位置,J模型和Ó模型更适合模拟RSBI这类复杂流动的点火现象及燃烧流动耦合过程.     

激波诱导混合增强数值研究

基于三阶ENN格式,通过引入权函数,构造了一种具有四阶或五阶精度的WENN高阶格式,并用此格式数值研究了激波诱导混合增强问题.结果表明,激波诱导方法能进一步加强燃料与空气的混合,这种高阶WENN格式能高分辨地捕捉流场细节.     

电场对于球形传播火焰影响的数值研究

采用N-S方程添加体积力源项的方法,使用FLUENT来模拟匀强电场对甲烷-空气球形传播火焰的拉伸影响,计算了过量空气系数1.6,体积力分别为12300 N/cm~3、30750 N/cm~3、123000 N/cm~3情况下的火焰拉伸情况。结果表明,体积力选取较小值时数值结果与实验结果较为近似,偏大时则结果差别较大,通过对数值结果的分析发现,火焰锋面粒子迁移导致的浓度分布不均和涡流是导致球形传播火焰发生形变的主要原因。     

非球形气泡的超声定量检测

超声是检测不透明液体中气泡的有效方法,声散射模型是超声反演技术的核心.经典气泡散射模型通常是基于球形假设及ka≤1 (a为气泡半径,k为入射波的波数),然而实际应用中这些假设并不总能得到满足.本研究针对非球形气泡及ka偏离假设情况,提出一种超声反演定量方案.建立不受ka约束的球形气泡级数背散射f模型,将其与经典Medwin (ka?1)和Anderson (ka≈1)散射f模型进行对比,发现ka偏离引发的散射截面效应仅体现在散射高阶共振峰位置及大小差异上.据此提出:可通过曲线拟合法解决散射截面σ_bs/(πa²)与ka间的多值问题,同时用当量半径a^*对非球形气泡尺寸进行量化.具体首先利用非球形气泡背散射信号的频域信息测定其散射截面σ_bs,再根据σ_bs与非球形当量半径a^*间拟合曲线进行反演,同时利用回波时域信息勾画气泡形状轮廓.反演结果通过高速摄影定量结果进行检验.结果表明:气泡沿之字形路径上升过程中产生非球形形变,当9≤kr₀≤35时,...     

电场对注入气泡和沸腾气泡影响的实验研究

本文主要研究了直流电场对冷态注入氮气气泡和R113沸腾气泡行为的影响.利用高速摄像机拍摄了冷态注入气泡和热态沸腾气泡在不同场强作用下的实验图像,并对气泡的脱离进行了定量分析.实验结果表明:注入氮气气泡和沸腾气泡沿电场方向显著伸长,其脱离长径比随着场强升高而增大,并且电场对沸腾气泡伸长行为的影响更显著.此外,注入气泡和沸腾气泡的脱离体积随着场强增大都具有减小的趋势,而且注入气泡体积随场强减小的行为更明显.     

激波聚焦反射的实验和数值研究

 采用高速摄影技术和数值模拟方法,对入射激波在两种不同形状的抛物形反射器表面聚焦和反射的过程进行了研究,得到了激波聚焦反射过程的波系结构的实验阴影照片和数值计算结果,两者符合得很好。对激波聚焦形成的气体动力学焦点的特性进行了分析,结果表明,入射激波在两种反射器反射后聚焦所形成的气体动力学焦点均是由三波点在轴心处的会聚所导致的,气体动力学焦点位于相应的反射器壁面的几何焦点附近。不同的反射器中,激波聚焦前后的波系结构也不同,对较浅的反射器,入射激波反射前在反射器壁面形成了弓形激波,反射之后需要相对较长的时间完成聚焦,形成聚焦反射激波之后弓形激波仍未相交;对较深的反射器,入射激波反射后在更短的时间内聚焦,聚焦时弓形激波已经相交,聚焦反射激波之后的流场波系结构更加复杂。     

转动效应对恒星热力学结构与演化的影响研究

转动效应对恒星结构与演化的两大方面的影响体现在动力学效应和元素混合上.本文利用国际MESA程序,研究了转动效应对20 M_⊙恒星在主序阶段热力学结构的影响.发现转动的动力学效应能使恒星中心温度变低,减少了恒星表面的不透明度,中心平均分子量和表面熵.由于动力学效应对恒星热结构的调整,降低了恒星的氢燃烧率,恒星向低温和低光度端演化.转动的元素混合效应减小了恒星的中心温度、密度、压强、紧密度、表面不透明度和平均分子量,使恒星表面氦元素、氮元素明显超丰,中心燃烧核区域变大,延长恒星在主序阶段的寿命.