粘性应力对液体扩张抛撒影响的实验研究

利用组合式激波管和高速摄影机,获得不同工况的气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的高速摄影照片.实验结果表明,RT不稳定性和RM不稳定性均随时间增长.在扰动波发展的过程中,两相混合区中气泡的前缘基本保持圆形,而尖钉的头部在发展过程中有雾化的迹象.由于黏性的存在,不稳定性的发展将受到抑制,且随着黏性系数的增大,扰动波的增长系数随之减小.     

内爆加载下界面不稳定性和湍流混合数值模拟研究

本文采用可压缩多介质黏性流动和湍流数值模拟代码MVFT,研究了球形汇聚几何中内爆加载Air/SF_6扰动界面导致的界面不稳定性和湍流混合的演化规律和物理机制.结果表明,这种条件下会发生复杂的波系演化,进而导致界面不稳定性和湍流混合也具有复杂的演化规律.冲击波首次加载Air/SF_6扰动界面后诱发Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性;然后扰动界面向心加速运动,此时会发生Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性;接着扰动界面逐渐转为向心减速运动,此时发生SF_6加速Air的致稳效应,它会抑制界面不稳定性和湍流混合的发展,使湍流混合区(TMZ)宽度增长速度逐渐减小,当RT致稳机制逐渐增强并占绝对主导时,湍流混合区宽度出现负增长.当透射冲击波聚心反弹后,对湍流混合区形成的是一个准等熵斜波-冲击波-泰勒波的二次加载过程,沿重/轻介质方向产生的是加载-加载-卸载效应.准等熵斜波加载也会对RT致稳机制有贡献.反射冲击波加载又会诱发RM不稳定性,而泰勒波加载会诱发RT不稳定性,二次加载产生的反射波聚心又反弹,进而重复准等熵斜波-冲击波-泰勒波的加载过程.汇聚几何所特有的Bell-Plesset (BP)效应会促进界面不稳定性和湍流混合发展.在球形汇聚几何中内爆加载所诱发的界面不稳定性和湍流混合发展过程中, RM不稳定性、RT不稳定性、BP效应和RT致稳机制存在互相竞争机制.湍动能分布显示湍流混合区发展沿径向是不对称的,不同方向湍动能分量和能谱结果表明湍流混合区发展还具有强的各向异性.     

畸形波生成的一种非线性机理分析

根据畸形波的非线性特点,采用控制深水波列演化的四阶修正非线性薛定谔方程,基于波列演化的边带不稳定性,研究了边带扰动条件下畸形波的生成与复波包谱的变化,并进一步详细分析了满足边带不稳定条件时,扰动频带宽度、初始扰动振幅、波陡及非线性阶数对边带不稳定性的发展和畸形波生成的影响。结果表明,载波能量向与之频率较近的不稳定边带快速转移,可引起波列在局部迅速增长而生成畸形波,因此该能量转移特性是边带不稳定性导致畸形波生成的一个根本原因。     

竖直气液两相管流中空隙率波及其不稳定性分析

对竖直气液两相管流中的空隙率波进行了测量和分析。结果表明 ,不同流型的空隙率波其传播速度不同 ,并随含气率的升高而增大 ,泡状流“失稳”前后空隙率波的相速度与群速度不相等 ,属于色散波。利用扰动方法研究了空隙率波的不稳定性 ,发现某些频率的扰动能使空隙率波的波速和相速度有所提高。非线性分析结果表明 ,泡状流“失稳”时是一个混沌动力系统。空隙率波的增长系数求解结果表明 ,泡状流向弹帽泡状流转化时 ,空隙率波对有限扰动是不稳定的 ,并对扰动的频率有所选择。当扰动频率与空隙率波的主控频率相近时 ,空隙率波呈最大增长状态。     

多参数耦合的射流过程不稳定性数学模型

基于线性不稳定性理论,针对可压缩无黏气体介质中的可压缩黏性液体圆柱形射流过程的不稳定性,建立了多参数耦合数学模型,得到了具有普遍形式的射流扰动控制方程的分析解以及描述射流自由表面三维扰动发展的色散关系,最后给出了色散关系的数值求解方法。     

柱形容器中理想流体双频驱动Faraday界面波的不稳定性

在普遍的柱形容器中,利用分离变量法求解Laplace方程和线性化的边界条件,得到了包括表面张力影响的双频驱动Faraday界面波的振幅方程.利用双层单频黏性流体的阻尼系数对该振幅方程进行修正.然后利用多尺度时间展开法分析了新的振幅方程的不稳定性.通过方程求解,给出不同驱动频率、驱动振幅、相位差、表面张力所确定的不稳定性区域.     

水平管泡状流强制扰动下的空隙波特性

在水平透明玻璃管内以空气和水为流体介质研究了强制扰动下气-液两相泡状流空隙波的特性,应用高速摄影仪和电导探针,对不同扰动频率下空隙波的不稳定性和波速进行了观察测量.研究结果表明,空隙波对于外界周期性扰动具有频率选择特性,随含气率的提高,扰动传播的衰减减慢,流动不稳定性增加.对应于一定的扰动频率,空隙波有不同的速度概率分布,呈现色散特性.空隙波的波速概率分布在两相混合流速处出现峰值,向两侧加速递减,与高斯分布接近.     

激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程多层靶球各个界面发生的流体力学不稳定性是影响聚变点火成功的关键因素.为深入了解内爆过程这样不稳定性的发生、发展和它对聚变点火的影响,研制成了研究内爆多介质辐射流体力学过程的高精度二维(局部三维)大型LARED-S程序,并在长期研究实践中不断发展和改善.该程序模拟结果与不稳定性线性和弱非线性解析结果,以及非线性激波管实验结果都很好符合.应用这一程序,进行了大量数值模拟研究,结合理论模型分析,获得了大量流体力学不稳定性发展和演化的重要结果和物理规律认识.获得了具有不同密度、速度、磁场分布的Rayleigh-Taylor(RT)和Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性的线性增长率,以及它们在不可压缩条件下的弱非线性发展的解析解,表明了两者在不同Froude数、密度过渡层厚度、速度剪切层下的竞争关系;通过数值模拟,发现弱预热条件下烧蚀RT不稳定性二次谐波非线性发展导致不稳定增长尖钉(Spike)断裂的重要过程;数值模拟进一步揭露了强预热条件下,烧蚀RT不稳定性非线性发展导致不稳定增长尖钉出现射流状结构,气泡发生加速;还发现强烈的电子热传导使初始单模扰动的KH不稳定性大大削弱,然而却可能使两模扰动非线性发展增大混合尺度.在神光II激光装置上开展了一系列烧蚀RT不稳定性实验.平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响.实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像.通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据.模拟结果与实验结果相符合.神光II激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算.在上述理论和实验认识基础上,进行了ICF聚变点火靶物理研究.主要研究靶丸内外表面单球谐模扰动、辐射不对称性、内爆热斑界面不稳定性、黑腔辐射M带以及氘氚(DT)主燃料低阶模面密度不均匀性等物理过程对ICF内爆流体不稳定性的影响.对于ICF间接驱动初始烧蚀层外表面和DT冰内表面的单模粗糙度扰动和辐射驱动不对称性扰动,获得了不稳定性增长规律,提高了热斑界面扰动增长对点火影响和黑腔M带X射线能谱对内爆稳定性影响的物理认识.模拟研究表明DT主燃料面密度不均匀严重影响内爆动能转换为燃料内能的效率和内爆惯性约束时间.研究结果不仅对研究ICF内爆点火有重要参考价值,而且对发生在天体和自然界中流体不稳定性的物理本质理解会有帮助.     

线性节理对岩石电磁辐射传播的影响

基于岩石压电效应,依据应力波下电场值的表达式及应力波在节理处的透射解,获得垂直入射应力波作用下产生的电磁波在线性节理面前后的强度关系,并且研究节理参数、岩体电性参数以及入射波频率对电磁辐射传播过程中强度的影响.研究结果表明:电磁辐射的强度随节理初始刚度增大而增大,随频率增大而减小;电磁辐射强度随黏性系数的增加先减小后增大,这与黏性系数变化过程中所导致的电阻率的变化相关;电磁辐射强度随黏性系数变化的同时还受到频率的影响;当节理面两侧岩体性质不同时,电磁辐射强度的变化同时受到多种参数的影响,情况变得更加复杂.     

强激光在不均匀等离子体中传输的成丝不稳定性

近年来,随着超短超强激光技术的发展,超强激光与等离子体相互作用方面的研究受到了越来越多研究者的重视.其中,强飞秒激光在等离子体中传输时的成丝不稳定性是一个重要的研究课题.因为其在激光引雷以及激光诱导电离光谱分析等诸多方面具有广阔的应用前景.本论述主要研究了线性极化激光束在轴向不均匀等离子体中传输时的成丝不稳定性,通过理论推导建立了相对论非线性激光场对应的非线性波方程.考虑到激光振幅在不均匀等离子体中的横向扰动,如果这种扰动以确定的形式给出,则将该形式代入并求解已得的扰动波方程就可以得到在轴向密度发生变化的等离子体结构中激光成丝不稳定性的增长率.     

高地应力深埋隧道开挖扰动规律

以颗粒离散元理论为基础,建立不同应力场作用下的大尺度深埋隧道模型,从开挖过程中的能量转换规律、应力波传播衰减规律及应力重分布规律等角度研究构造应力场对双线硬岩隧道的影响。结果表明:隧道瞬时开挖后,围岩系统的应变能、动能及耗散能均存在三阶段演化规律。侧压力系数越大,围岩受到的扰动越剧烈;侧压力系数小于1时,拱顶、拱底由于处于应力松弛区,无扰动波产生;拱腰处于应力加载区,卸荷后期会产生同向的第二峰值扰动波;侧压力系数为1时,无明显扰动波产生;侧压力系数大于1时,扰动波产生位置为拱顶、拱底处,且扰动波的方向与卸载波相反;应力卸荷过程可以分为剧烈扰动、卸荷调整以及卸荷完成3个阶段。     

气流旋转对液体射流分裂与雾化的影响

为研究旋转气流对液体射流分裂与雾化的影响,建立了旋转气流中的空心柱形黏性液体射流三维模型,对气流旋转强度在射流分裂与雾化的作用进行分析计算.结果表明,低速射流的分裂破碎机理与高速射流的雾化机理不同.在低速射流中,内部气流旋转强度对射流的稳定性影响不大,但外部气流旋转强度却起着稳定性的作用;在高速射流过程中,内部气流旋转强度始终起着不稳定性的作用,而外部气流旋转强度对轴对称扰动的影响不大,但对非轴对称扰动均起着不稳定性的作用.     

畸形波数值模拟的一个有效模型

基于控制深水复波包演化的修正的四阶非线性薛定谔方程和离散时间步长的伪谱方法,建立了畸形波生成的数值模型,模拟了边带扰动初始条件下满足边带不稳定性条件时波列的演化,统计了演化过程中生成的畸形波,并对该过程中谱成分能量的变化进行了分析.结果表明,采用该模型可以有效地模拟畸形波的生成,边带不稳定性是畸形波生成的一个可能原因,而且多对不稳定边带的相互作用增加了畸形波生成的概率.     

薄吸积盘近径向扰动不稳定性

本文讨论几何薄光学厚吸积盘轴对称近径向扰动不稳定性,推导了色散关系,运用于标准吸积盘的各个部分。结果表明,扰动波矢轴向分量的存在引起新的不稳定性。     

高压喷射雾化液滴的二次破碎机理

采用射流界面不稳定扰动波雾化分裂理论,分析了单液滴在空气中以极高的速度运动过程中,由于液滴所受内外作用力的不平衡边界条件所产生的表面扰动;建立了液滴二次破碎色散方程,给出了单液滴在扰动波作用下发生二次破碎的最快增长率和相应的最不稳定波长,以及破碎时间和稳定液滴直径;分析了液体粘性、液滴速度对高速运动液滴不稳定性的影响,对液滴雾化机理进行了理论探讨.仿真表明:由作用于高速运动液滴表面的不平衡力,使得液滴界面产生变形加速度,这是导致液滴表面不稳定而进一步分裂的内在动因;粘性对扰动波发展有抑制作用,气液界面运动加速度是控制液滴破碎的重要因素.     

竖直气—液两相管流中空隙率波及其不稳定性分析

对竖直气－液两相管流中的空隙波进行了测量和分析。结果表明，不同流型的空隙率波其传播速度不同，并随含气率的升高而增大，泡状流“失稳”前后空隙率波的相速度与群速度不相等，属于色散波。利用扰动方法研究了空隙率波的不稳定性，发现某些频率的扰动能使空隙率波的波速和相速度有所提高。非线性分析结果表明，泡状流“失稳”时是一个浊沌动力系统。空隙率波的增长系数求解结果表明，泡状流向弹帽泡状流转化时，空隙率波对有限扰动是不稳定的，并对扰动的频率有所选择。当扰动频率与空隙率波的主控频率相近时，空隙率波呈最大增长状态。     

多孔介质内稀氢气/空气预混过滤燃烧不稳定性

在不同过滤速度和氢气体积分数试验参数下观测超绝热燃烧波传播过程中火焰面倾斜不稳定性演变过程及热斑组成的胞状结构燃烧波的特点,分析导致过滤燃烧不稳定性发生的动力学因素,确认低速过滤燃烧不稳定性的演变机理及其特点.结果表明:在火焰面有一个初始轻微的倾斜角时,这种倾斜不稳定性演变持续性发展;改变试验工况参数,在燃烧器上游可能会出现胞状结构体燃烧波;在主燃烧波传播过程中,胞状结构燃烧波显著影响着主燃烧波火焰面传播的稳定性并且抑制主波的传播速度;当主燃烧波离开燃烧器后,胞状结构燃烧波随机分布驻定在燃烧器内部.     

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。     

下降液膜流动不稳定性实验研究

下降液膜在第3代压水堆核电站(如API000)中具有重要应用,同时它也广泛应用于多种工业设备和工业过程之中.流动不稳定性是下降液膜流动最重要的特点.该文运用阴影成像法实验研究了下降液膜的流动不稳定性,获得了液膜在不同下降倾角β下的流动图像,分析了液膜扰动波各流动参数之间的关系以及它们对于液膜流动不稳定性的影响.结果表明:对于波长而言,下降倾角的影响远大于雷诺数Re;前后波的融合是下降液膜产生流动不稳定性的重要原因;液膜流动具有区域分布的特点,Re对其具有较大的影响.     

Andes上空中间层和低热层中大气惯性重力波的激光雷达观测

利用Andes观测站(30. 3°S,70. 7°W)激光雷达2016年6月8～9日共11. 6 h的风场、温度以及钠原子数密度的观测数据,研究了一个在中间层顶区域惯性重力波活动事件。谱分析表明,这个惯性重力波的周期约6. 6 h,垂直波长约7. 5 km,水平波长约826 km。根据矢端曲线法分析发现,此惯性重力波的传播方向大约为西偏北38. 6°。计算出它的垂直群速度约0. 2 m·s~(-1),水平群速度约22. 9 m·s~(-1)。射线追踪结果表明,上传惯性重力波可能来自于平流层的急流区域。虽然该惯性重力波不能达到不稳定性的阈值,但是理查德森数和浮力频率显示,由于不同扰动分量的叠加,导致了在一些高度和时间上,动力学的发生和对流不稳定性的存在。因此,叠加效应引起的不稳定性可能会对中间层-低热层中波的饱和度和幅度约束有显著影响。同时利用重力波偏振关系和惯性重力波纬向风扰动,计算出了经向风、温度和大气密度扰动,同时观测的经向风和温度扰动与计算的结果一致,表明观测到的准单色惯性重力波能很好满足重力波偏振关系。另外,计算得到的大气密度扰动与观测的钠原子数密度扰动相位一致,证实了中间层-低热层区域的钠原子可以作为重力波的示踪物。