激波在air/SF_6气体界面上非定常折射的数值研究

本文数值研究了平面激波在air/SF_6凹形(凸形)界面上的非定常折射,着重关注入射角变化带来的波系结构变化.数值程序利用有限差分法离散可压缩多组分欧拉方程,采用双通量算法成功克服了物质界面附近由于比热比不同导致的数值振荡问题,并将该算法与高阶WENO以及三阶Runge-Kutta耦合,使得程序具有较高的时空分辨率.结果表明,相比于准定常折射,平面激波在凹形(凸形)界面上传播时由于入射角的连续变化会出现波系结构的转变现象.随着入射角由大变小,平面激波在凹形界面上依次出现了前曲折射、规则反射折射以及过渡规则折射.相比准定常折射,没有出现Mach反射折射,但出现新的折射波系——过渡规则折射,由流场的迟滞效应导致.随着入射角由小变大,平面激波在凸形界面上依次出现规则反射折射以及Mach反射折射.相比准定常折射,没有出现前曲折射,但Mach折射出现的角度区域推迟且范围变大.研究表明,流场的非定常性对激波折射波系具有重要影响.     

平面激波与V形air/SF_6肥皂膜界面相互作用的研究

本文采用实验和数值方法研究了激波与V形air/SF6界面相互作用的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.实验采用细线约束肥皂膜技术形成顶角分别为120°和60°的V形界面,并采用高速纹影法获得了界面的演变过程.同时采用VAS2D程序对该过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比,获得了较好的一致性,验证了界面形成方法的可行性.结果表明,该种方法能够生成清晰的V形界面.对比两组结果发现,激波作用过程中的波系结构相似,界面边界及顶点处均有涡结构产生.但由于不同角度界面上斜压性不同,产生的涡量幅度不同,进而诱导界面产生不同的演变速度.定量测量了界面长度随时间的变化,发现归一化的界面长度演变规律是一致的,而涡心距的变化却呈现出较大的不同,表明不同角度的界面对不稳定性的发展有一定影响.     

平面激波冲击柱形气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了马赫数为1.2的平面激波冲击下柱形气体界面的演变发展过程.采用环约束的方法,利用肥皂膜技术形成了柱形界面.在单次实验中得到了平面激波与柱形界面作用的全过程,观测了波系发展以及气体界面的演化.结果表明,在激波冲击下SF6气柱下游界面会产生射流结构并最终发展成蘑菇形状;而氦气气柱受到激波冲击后会出现反相,上游界面发展出射流结构并穿透下游界面,最终界面发展成两个独立的涡结构.通过测量比较界面尺寸的变化,可以较清楚地了解界面变形的物理规律.最后将SF6气柱实验中获得的激波和气体界面的速度与一维气体动力学预测结果进行比较,吻合较好,从而验证了环约束方法在Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究中形成气体界面的可行性.     

对平面激波的数值研究

从数学分析的角度，定量地研究造成平面激波脱体的物理条件。将来流Mach数M1、壁面转折角δ以及激波角β所满足的函数关系式转换为代数方程，建立完整的平面激波激波角的数值计算方法，给出激波前后气流物理量的变化关系。     

激波与不同形状界面作用的数值模拟

该文数值研究了激波与不同形状界面相互作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性发展．数值方法采用自适应的非结构四边形网格来精细刻画界面的演变．在激波Ma=1．2,界面内为sR气体的条件下,通过数值模拟激波与矩形、三角形以及椭圆界面相互作用的过程,分析并对比了这3种形状界面的波系、涡量和界面演变．结果表明,在激波作用下,不同形状流体界面的波系结构是不同的,主要表现在波系的形状以及发展两方面．此外,各种形状界面涡量的产生、分布和大小也有所不同,进而导致各种形状界面演变过程也有一定差异,因此不同形状的流体界面引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性有不同的机理．     

SF_6/N_2和SF_6/CO_2混合气体的耐电强度

通常采用的评定气体和混合气体耐电强度的方法,即将均匀场间隙中测得的击穿电压与参考气体相比,实际上并不能反映不同气体在工程应用中绝缘性能的优劣。本文通过理论分析和实验结果说明:根据气体在三种电极,即均匀场(或准均匀场)、不均匀场和极不均匀场间隙中的击穿特性,可以预测该气体在工业应用中的效益。本文实验还表明,对无严重污染的全封闭组合电器和管道充气电缆来说,SF_6/N_2优于SF_6/CO_2。     

强激波冲击多晶碳/氦界面诱导的微观Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

当激波冲击两种不同物质组成的界面时,其驱动的界面流体混合现象称为Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性.惯性约束核聚变过程中,激波诱导的靶丸材料与聚变材料间的RM不稳定性是该研究领域重要的基础科学问题之一.实际靶丸材料受制于工艺无法制成单晶,理论研究证实激波在多晶材料内传播时,其波阵面会发生一定扭曲,这种扭曲是否会诱发宏观尺度RM不稳定性或形成宏观尺度RM不稳定性的种子源是靶丸设计中的关键问题.本文从多晶碳/氦界面出发,采用分子动力学模拟了强激波冲击多晶碳/氦光滑界面的微观过程,并探究了冲击速度和晶粒尺寸对其界面演化的影响.结果发现激波经过多晶材料后会发生波阵面的扭曲,使界面产生很多微小的初始扰动,而这些初始扰动会随着界面的进一步演化而持续增长,形成不同波长的扰动尖峰,发展成微观的RM不稳定性现象.不同强度的冲击发现,存在微观RM不稳定性演化的临界冲击速度区间,在此区间内,冲击速度越大,后续的界面振幅发展越快,波长越小.相同冲击速度条件下,不同晶粒尺寸工况有相似的演化过程和特征,平均振幅增长规律相近,但峰值振幅和波长差异较大,体现出较大尺度的多晶扰动可能带来较大幅度和波长的微观RM不稳定性演化机制.基于微观扰动的宏观尺度RM不稳定演化则需要开展多尺度的理论模拟与实验进行验证.     

强激波冲击Kr重气泡的三维数值研究

对马赫数为2.2的强激波与Kr重质气泡的作用过程进行了三维数值模拟,重点考察了反射激波对变形Kr气泡的影响。研究结果显示:强激波对Kr气泡的压缩与扰动作用增强;且反射激波引起的斜压效应可明显改变流场区域的涡量分布。此外,Kr气泡区域的三维涡结构受流场扰动影响会变形失稳并形成流向涡,弯曲项和拉伸效应是流向涡形成的最主要来源。     

柱状汇聚激波冲击重气柱不稳定性的数值研究

采用有限体积法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值研究了二维重气柱在柱状汇聚激波及其反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展,并比较了平面激波条件和不同汇聚角度条件下激波和界面的演化过程.气柱界面内气体为六氟化硫(SF6),环境气体为空气,柱状汇聚激波在汇聚中心形成反射激波,平面激波与右端固壁作用形成反射激波.结果表明,柱状汇聚激波及其反射激波作用下的气柱演化、界面位置变化、尺寸变化及环量变化与平面激波及其反射激波作用下的情形有着显著差别,同时,不同汇聚角度也具有一些影响,揭示了柱状汇聚激波及其反射激波作用下的界面演化机理.     

不同降雨强度下红色村干沟泥石流数值研究

结合实测资料分析了四川省都江堰市红色村干沟泥石流的运动规律,并运用DEBRIS-2D软件建立了二维泥石流运动数学模型,利用该模型模拟得到的龙头标高、平均堆积厚度及沟口流速都与实测基本吻合.通过改变雨强进行定量分析得到:当物源充足时,雨强减小会导致泥石流运动减缓,并停止于地势较高处;以150mm·h-1为参考雨强,当雨强减小为100mm·h-1和50mm·h-1时,泥石流运动的龙头标高分别增加25m和75m,平均堆积厚度分别减小0.06m和0.14m.     

界面结合强度的激光冲击定量测定装置

我校“界面结合强度的激光冲击定量测定装置”被授予实用新型专利．其涉及激光技术和材料性能测试领域，装置包括激光器、外光路系统、工装夹具系统、试样体系、干涉仅、示波器、控制系统、计算机处理终端，试样体系为等边直角三棱柱或其变形体．试样体系表面贴设由透明约束层和能量吸收层组成的一体式柔性贴膜，示波器为双通道示波器，工装夹具系统由安装试样体系的下夹板和上夹板及带直角凹槽的压紧螺杆组成．应用本装置可利用试样斜面上应力波形的转换，在待测直角乃至整个下部区域形成单纯拉伸应力区，在此区域内设计待测界面，界面将产生单纯拉伸剥离，可以更直接、更准确地实现界面结合强度的定量测定．     

绕射激波和反射激波冲击下的Richtmyer-Meshkov不稳定性

利用高速纹影和平面片光测试技术,实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的R-M不稳定性特征.在竖直激波管采用重气体尾部充入,轻气体上部充入,狭缝流出的方式,在实验段狭缝处生成准静止稳定的N2/SF6平面界面.激波与圆柱作用后的流场是复杂的,包括初始的入射波、弯曲反射波、马赫波、由马赫反射产生的滑移线.研究这些复杂流场对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.与平面激波作用不同的是,在柱体绕射后的激波冲击下,界面会生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,会加剧湍流混合区的增长;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

平面界面下的静电问题

0 引言在求解静电场问题中,最为方便和重要的求解方法是电像法。它可解决在一些特殊形状边界下求解有限个点电荷所激发电场一类的问题。采用的方法是避开直接求解方程,在对问题作具体分析后,把边界上的束缚电荷和(或)感应电荷激发的场用一个或几个称为像电荷的点电荷贡献来作等效替代。只要设法知道这些像电荷的大小和位置,静电场分布就求得了。由静电问题的唯一性定理,这个解就是我们所要求的唯一正确解。该方法还适用于类似的静磁场问     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

不同入射激波条件下激波与湍流边界层干扰的实验研究

本文在Ma=3.4超声速低噪声风洞中开展了不同入射激波条件下激波与来流壁面湍流边界层干扰的相关实验研究,得到了不同入射激波条件下的精细流场结构、壁面压力、壁面温度分布以及他们之间的相互关系.利用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)在单位雷诺数6.30×10~6m~(-1)条件下获得了激波与湍流边界层干扰典型流场精细的瞬态流动结构图像,并对瞬态流动图像进行统计分析,得到的诱导激波振荡位置满足正态分布.同时利用大气数据系统得到了不同入射激波条件下干扰区的壁面压力分布,以及不同入射激波强度下分离区流动结构与壁面压力变化的关系.利用温敏漆(TSP)技术,得到不同入射激波条件下干扰区模型壁面温度分布,分析了激波与湍流边界层干扰过程中出现G?rtler涡引起的条带结构与入射激波强度的关系.     

SF_6/N_2混合气体的放电特性

为了探讨SF6 /N2 混合气体代替纯SF6 气体作为气体绝缘开关装置 (GIS)绝缘介质的可行性 ,阐述了SF6 /N2 混合气体放电的基本参数 ,给出了Wieland插值的适用条件 ,并对SF6 /N2 混合气体在不同混合比、电压波形及气压下的放电特性进行了试验研究 .研究结果表明 :SF6 /N2 的电晕稳化作用比纯SF6 中的要强 ,当气压较高时 ,混合气体在高频率快速暂态过电压作用下的击穿电压比低频率作用下的要低 ,而且均匀场中混合气体的击穿电压与气压基本呈线性关线 .所以 ,在不改变现有GIS结构及尺寸的情况下 ,可增加混合气体的压强来保证GIS的绝缘强度 .     

负极性振荡雷电冲击电压下SF_6尖板模型局部放电特性

为了深入研究尖板模型振荡雷电冲击电压下局部放电特性,首先搭建了振荡冲击电压发生器,产生符合IEC 60060-3标准的振荡型雷电冲击电压,基于特高频法和脉冲电流法,建立了冲击电压下局部放电测量系统,进而构建了SF6尖板模型,对负极性振荡雷电冲击电压下局部放电进行了测量,对比了特高频法和脉冲电流法测量局部放电的灵敏度,分析了放电时延、放电幅值、放电数目和放电相位随外施电压的变化规律。结果表明:特高频法测量灵敏度更高,适合在气体绝缘组合电器(GIS)现场冲击耐压试验中使用;局部放电集中在外施电压各波峰附近;随着外施电压的升高,放电时延和放电起始相位急剧减小,放电结束相位则稍有增大;各周期放电幅值和数目随波峰电压的升高而线性增加。进一步分析表明,在负极性振荡雷电冲击电压下,局部放电的产生和发展可用金属电极表面发射、负离子场致碰撞脱附和电晕稳定化作用进行很好的阐释。研究成果有助于GIS现场冲击耐压试验中局部放电的检测与分析。     

力电冲击荷载下PZT/复合材料梁界面断裂分析

基于非线性有限元方法,对力电冲击荷载作用下PZT/复合材料梁界面断裂进行了研究.通过虚裂纹闭合技术计算了界面裂纹前缘的能量释放率随时间变化的响应曲线,并且采用接触单元防止PZT片和界面裂纹分层前缘的复合材料发生穿透,然后通过比较证明了该求解方法的有效性,最后通过典型算例讨论了压电效应、界面接触、电压、铺层角度和压电材料阻尼对界面动态能量释放率的影响.研究方法和结论对动态工况下PZT/复合材料界面止裂设计具有一定的参考价值.     

强冲击下金属铜界面辐射特性测量研究

强冲击条件下金属温度是其重要的状态参量,由于冲击加载过程时间短以及辐射温度高等特点,导致常规静态测温方法不适用.本文利用二级轻气炮发射高速弹丸,与金属碰撞后形成冲击波对样品进行压缩,再利用多通道辐射高温计测试系统获取强冲击下金属铜的辐射信号.通过改进样品加工和靶体装配技术,成功获得了金属铜界面稳定的发光辐射历史.通过普朗克灰体模型拟合得到金属在冲击压缩下接近理想模型的辐射温度值.     

胶结充填体冲击破坏及损伤演化数值模拟研究

为定量描述胶结充填体在动载作用下的损伤程度及破坏过程,利用数值模拟软件对胶结充填体进行SHPB动态冲击,并通过室内SHPB冲击试验结果验证数值模拟方法的可行性. 对不同冲击速度（1.5 ,1.7 ,1.8 ,2.0 m/s）条件下4种配比胶结充填体（灰砂质量比分别为1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10）,采用微裂纹密度法定义损伤变量值d,进行损伤规律及破坏过程的数值模拟研究. 结果表明:数值模拟中使用波形整形器可获得更加理想的矩形波,使试件同一平面单元所受应力均匀,无应力集中现象;数值模拟结果很好地展现了胶结充填体的动态破坏过程,其整体破坏趋势为边缘发生剥落后裂纹向内部延伸与贯穿;在加载速度从1.7 m/s增加至1.8 m/s的过程中,损伤变量增大幅度超过10％;冲击速度由1.5 m/s增加至2.0 m/s的过程中,灰砂质量比为1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10的胶结充填体的损伤变量d变化范围分别为0.238～0.336,0.274～0.413,0.391～0.547,0.473～0.617,灰砂质量比1∶6变化至1∶8时,出现明显的损伤“跃升”现象.