运动流体界面Rayleigh-Taylor不稳定性研究

本文从非相对论流体和相对论流体的基本方程组出发,讨论了重力场下处于匀速运动的两种理想流体界面在随动参考系与实验室参考系下Rayleigh-Taylor(RT)线性不稳定性的增长率.计算表明,非相对论流体RT不稳定增长率与参考系的选择无关.相对论流体温度和压强对RT不稳定有抑制作用,且相对论流体的速度也使该不稳定增长率下降.     

单缝流体推力矢量喷管的气动特性

流体矢量喷管重量轻,便于维修,应用前景可观。但二次流的存在造成了流场振荡,因此研究矢量喷管的流动特性具有重要的理论和工程意义。运用数值模拟方法,通过在二元收扩(2DCD)喷管的扩张段引入二次流,研究激波控制的流体推力矢量喷管的气动特性。利用分离涡模拟(DES)湍流模型进行矢量喷管非定常流场的数值计算,先后得到了流场的流线、涡量系数、密度梯度和熵的分布。结果表明:随着流动的发展,激波不断发生振荡,上、下壁面唇口处生成的涡沿着剪切层外侧不断向下游脱落;尾流内上剪切层的摆动角度和熵增皆大于下剪切层。     

短程相互作用对准粒子相对论动力学的影响

通过调节短程相互作用，在Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型中实现了Dirac点的移动与融合.该过程对应于一种由半金属相到能带绝缘相的拓扑相变(即Lifshitz相变).通过解析和数值研究的方法，对该相变过程中系统准粒子的相对论动力学特性进行了研究.结果表明:在短程相互作用很弱的情况下(即Dirac点融合前)，系统展现出相对论动力学特征; 然而，随着短程相互作用的增强，Dirac点会发生融合相变.此后，系统则表现为非相对论动力学特征.因此，相变过程是由相对论到非相对论动力学转变的过程.进一步通过数值模拟得到了融合前(相对论)后(非相对论)粒子的密度分布随时间演化的图像.在相变前，单色Dirac准粒子发生劈裂，而双色Dirac准粒子产生定向漂移现象.在相变后，无论初态如何改变，系统始终无组分劈裂现象出现.最后，展示了不同相互作用下准粒子的质心运动曲线(世界线).     

用垂直激波管研究多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性

使用竖直激波管对气-液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象进行了实验研究,构造了空气-硅油-水及空气-酒精-硅油两类流体界面,使用氦气作为高压驱动气体,进行了激波马赫数分别为M=1.50,1.85,2.25的实验;研究了流体黏性、激波强度以及表面张力对不稳定性发展的影响.通过分析实验数据,得到了气泡深度、尖钉高度及混合区域宽度随时间的变化关系,并发现在高马赫数下非线性变化关系明显.另外,研究了硅油层厚度对RM不稳定性的影响,提供了判断硅油层对RM不稳定性发生延迟的定量依据.     

液压激波作用下管道流固耦合的动力学建模

为了研究在主动液压激波作用下管道振动的动力学特性,设计了一种液压激波变频控制系统,建立了激波作用下充液管道流固耦合的动力学模型.采用特征线-有限元法,用Newmark法编程,将由特征线法求得的流体各断面横向压力载荷施加到管道有限元的单元节点上,由此求得了管道横向各断面处及轴向的振动时程曲线,并通过快速傅里叶变换获取了管道横向及轴向的幅频特性曲线.试验发现,在激波作用下,充液管道的横向与轴向振动中基频的幅频特性吻合较好,而高阶频率由于谐波干扰信号非常严重,因此与数值模拟结果没有明确的对应关系.     

多层介质中激波穿透的最佳条件

通过讨论激波在二均匀介质交界面处的穿透和反射,引进穿透比的概念,确定两介质间嵌入薄层物质对激波能量穿透的影响,探讨了增强能量穿透的可能性,给出了多层介质或连续变化介质中激波穿透的最佳条件。     

管壁导热对管内流动流体热边界条件的影响

对层流管内受迫流动热入口段内流体与管壁间耦合传热进行了计算 ,研究了试件几何尺寸、试件与流体物性参数及流体流动状态对内管壁处流体热边界条件均匀性的影响。研究结果表明 ,即使在管外壁均匀加热 (或冷却 )的情况下 ,管壁导热也使得内管壁处流体的热边界条件出现明显的不均匀性。影响这种不均匀性的主要因素是Peclet数、管壁材料的相对导热系数、实验段相对加热长度及管壁相对厚度等无量纲参数。为了改善管内壁处流体的热边界条件以提高对流换热实验结果的精度和可靠性 ,在保证管外壁加热 (或冷却 )均匀性的前提下 ,一定要尽可能采用足够长的薄壁管做对流换热实验的加热段。此外 ,试件的材料与拟采用的加热方式有关。恒壁温加热时要选用导热系数大的材料 ,而恒热流加热时 (如外绕加热丝加热或管壁直接通电加热 )则应选用导热系数较小的材料     

Richtmyer-Meshkov不稳定性的格子Boltzmann数值模拟

为了探寻研究Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的新方法,采用耦合双分布函数格子Boltzmann方法(LBM),对激波作用下两种不同密度流体交界面的演化过程进行了数值模拟研究,着重讨论了RM不稳定性的行程和演化特征,给出了交界面的扰动增长率的变化规律,同时还研究了激波强度对扰动振幅的影响.结果表明:由于受RM不稳定性的影响,两种不同密度流体的交界面上,重流体演化成尖顶结构,而轻流体演化成气泡结构,最终由于斜压效应重流体的尖顶转变成蘑菇头形状;交界面扰动增长率与Zhang-Sohn模型较吻合;激波强度越大,扰动振幅增长率越高.研究表明所提的方法可以用于RM不稳定性的研究,有望成为两相流研究的新途径.     

两类涡轮激波结构及演化规律研究

针对收缩、收缩-扩张两类涡轮叶栅中激波结构及其演化规律的问题,采用数值模拟的方法研究得到了两类叶栅在变工况下的流场等马赫数云图及叶表马赫数分布,经分析获得了关于收缩、收缩-扩张叶栅在超跨音工况下激波结构主要差别的认识及激波附面层分离的基本判别准则,即激波前后压比达到1.4时附面层将发生分离.      

激波通过三岔管通的计算

激波在管道中传播的研究是地下工程、管道工程、井巷工程中的一项重要课题。我们曾利用激波后气体准定常流动的关系式,提出了管道进口、管道直角弯道处激波计算的方法,并给出了计算结果供工程实践中采用(见参考文献(1))。那些结果与实验的数据有较好的吻合。本文将对管道三通(管道分岔)的激波运动提出计算的方法。计算结果也以列表的     

激波与湍流边界层的相互作用机理

本文在[三]中论述了由流体的守恒律而得的激波方程。在[四]中给出了荷载微扰激波的发射波的物理模型,得出激波与湍流边界层之间能量转移的普遍关系式。由这个模型而得的理论,对正激波与湍流边界层之间相互作用时得出的临界激波强度和临界马赫数,与实验结果符合得较好。     

再论负能谱系统存在的必然性

根据Landau的负能谱理论，探讨了高密度物质中存在负能谱系统的可能性，首先介绍了Landau的负能谱理论，进一步利用星体内部场的结构方程-TOV方程分别讨论了相对论流体，超相对论流体中形成负能谱的可能性，最后对相对论量子系统中形成负能谱的条件也作了基础性阐述．     

不同强度平面激波冲击下正方形air/SF_6界面演化的数值研究

本文采用VAS2D数值研究了两种强度平面激波(Ma=1.18,2.50)与air/SF6/air正方形界面作用后的RM不稳定性发展,重点考察流场可压缩性对界面不稳定性发展的影响.波系结构分析表明,激波强度不同会导致复杂的激波-激波干扰发生的位置不同,从而对界面形态,尤其是射流结构的产生有重要影响.低马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面内部,诱导向外射流结构的产生;而高马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面外部,诱导向内射流结构的产生.同时,高马赫数下复杂的激波反射折射对界面发展有着重要的影响,诱导多个射流结构的产生.随着入射激波强度增大,可压缩效应明显增强,界面上产生涡量大小和分布有所不同.强激波的冲击使得界面上累积更多的涡量,涡结构增长迅速,同时也观测到滑移面上有明显的涡量产生,表明滑移面两侧流体的运动速度有较大差异.强激波的压缩使得界面获得较高的运动速度,界面宽度和高度同样具有较大的变化率.此外,强激波的冲击会导致两种气体之间混合速率增大,极大地增强了气体之间的混合.定性和定量结果表明,可压缩性对流场的波系结构以及界面形态都有着重要的影响.     

等熵相对论Euler方程组非线性波的性质

讨论了等熵相对论欧拉方程组黎曼问题解的几何性质,在相互作用条件下,分析了作用前后非线性波的关系,得到了等熵相对论Euler方程组柯西问题非线性波的性质,并通过激波曲线参数化,得到了非线性波的几何性质.     

斜激波与边界层的相互作用

本文在[二]中给出斜激波与边界层间之相互作用的外部解,在这个外部解,是由三个因素产生的,即(1)边界层不存在时,直线驻激波的压强变化,(2)凹壁边界层为一线性微扰而产生的压强变化,(3)凹曲壁边界层对激波波形的影响。     

水下超声速气体射流的力学机制研究

介绍了对水下超声速气体射流的力学机制的实验研究. 在自行设计研制的实验系统里, 高压空气通过缩放喷嘴(拉伐尔)喷入一个3维水槽中. 射流在不同的工况下运行, 即过膨胀、适配和欠膨胀状态. 用一台CCD摄像机, 对射流流场进行了可视化. 实验发现, 超声速气体射流在水中的喷射, 总是伴随着很强的流体振荡, 而这种振荡与射流气相介质中的激波反馈现象有关. 对射流压力场进行了详细的测量, 证实了气相介质中的激波反馈现象. 但是, 这里讲的激波反馈不同于超声速气体射流在开放大气空间中释放时的声学反馈(声学反馈引起尖锐刺耳的声调). 它是这样一个过程：封闭在射流气袋中的激波引起射流内部的大幅度的、周期性的压力脉动; 然后, 压力脉动引起射流振荡, 包括大幅度气体膨胀现象的出现. 为了验证这种激波反馈现象, 我们对流场进行了详细的压力测量. 设计了三种压力测量装置, 即浸没在水中的压力探头; 在喷管装置侧壁上的压力测量; 在喷管装置前壁上的压力测量. 实现了对喷嘴下游、喷嘴附近以及喷嘴上游的压力测量, 而且各压力测量结果体现了很好的一致性. 研究表明, 射流的每一次振荡, 都引起一次压力的突然增加, 激波反馈的平均频率为5~10 Hz.     

超声速横侧射流混合特性的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了Gamba超声速燃烧室内的横侧射流流场中大尺度涡旋结构以及当地混合特性.超声速来流受到音速射流流体的阻碍,形成了复杂的激波和涡旋结构.由计算结果中的平均马赫数分布图可以清楚地看到激波结构,包括弧形激波、λ激波、桶状激波以及马赫盘;采用Q准则表征三维涡旋结构,可以看到稳态的反向旋转涡对(CVP)、尾迹反向旋转涡对(TCVP)、马蹄涡以及非稳态的射流剪切层涡等结构;此外,由平均流线图可以看到,TCVP结构与CVP结构的旋转方向相反,不对称的CVP结构导致燃料质量分数展向分布不均匀.引入概率密度函数方法分析当地混合特性,结果表明射流近场混合主要发生在射流出口上游回流区以及桶状激波下侧和射流剪切层下侧的射流尾迹区内;射流远场混合分数的概率密度分布从β分布逐渐过渡为高斯分布.研究射流浓度衰减特征,结果表明氢气质量分数沿射流浓度最大迹线呈指数-0.7衰减.     

柱对称抛射体超音速绕流Mach-Zehnder干涉图分析的数值解法

本文把作者在文献[1]中对“含激波等离子体光谱的Abel变换”得到的四条物理结论和求解含激波的Abel变换的数值解法直接推广到了柱对称抛射体超音速绕流的Mach-Zehnder干涉图分析上。文中对实验测得的干涉条纹移动δ(x,z)与超音速流场中各点处的密度改变ρ(r,z)-ρ_0之间的关系得到了与文献[1]类似的三条物理结论,并给出了从观测到的干涉条纹移动δ(x,z)计算流场中各点处的密度改变ρ(r,z)-ρ_0所用的全部变换系数公式。本文利用文献[2]中的一张柱对称抛射体超音速绕流的Mach-Zehnder干涉图作了流场密度计算,得到了好的结果。文中还给出了流场中含有多个激波时的简化算法。     

大型强子对撞机上膺快度及能量估计研究

利用Mathematica软件研究了相对论重离子对撞中末态带电强子赝快度分布谱,并与大型强子对撞机(LHC)上2.76 TeV及5.02 TeV铅-铅(Pb+Pb)对撞实验数据进行拟合,编写数值算法程序抽取了最中心碰撞流体演化纵向膨胀加速度参数.为了研究纵向加速度效应及流体黏滞效应对夸克胶子等离子早期能量密度估计的影响,依据Bjorken能量密度估计模型,讨论了考虑黏滞效应修正的能量密度估计模型,发现黏滞效应会使对碰撞早期的能量密度估计增大.     

激波管的调试与甲烷着火延迟时间的测量

为了验证本实验室新建造激波管的稳定性和可靠性,对该激波管的激波衰减率、非理想气体效应等物理特性进行了实验研究.结果表明:该激波管的激波衰减率为1.0%/m~2.2%/m,与国际上其他激波管激波衰减率在同一范围;非理想气体效应造成实验区的实际温度比理论温度要低;由于边界层效应与燃烧波的影响,侧壁的着火延迟时间比端壁要短.侧壁处测得的甲烷着火延迟时间与文献中侧壁处数据以及基于USC2.0机理模拟的结果表现出较好的一致性,端壁处测得的甲烷着火延迟时间在低温条件下与文献中端壁处数据符合较好,在高温条件下存在一定的偏差.