反射激波诱导界面不稳定性研究进展

运动激波与流体界面相互作用能够引起复杂的流动现象,包括激波反射折射、界面失稳以及湍流混合等,在自然界和工程实际中具有重要的应用价值和研究意义.入射激波冲击之后,初始界面上的扰动在斜压涡量和压力扰动等机制下经历线性和非线性增长,界面形态不断发生变化;当反射激波再次冲击变形的界面时,涡量的产生及输运将改变界面不稳定性的演化过程,产生不同的物理现象和规律.由于反射激波的生成及控制比单次激波要更加复杂,开展与之相关的界面不稳定性研究工作具有极大的挑战性.本文回顾了近年来学者们在反射激波诱导界面失稳和湍流混合方面取得的实验、数值和理论研究进展,重点从平面和汇聚两种典型的初始激波形状出发,讨论了界面形状、激波强度、反射距离等初始条件对反射激波再次作用下界面不稳定性的影响规律,并进一步展望今后的研究重点和方向.     

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.     

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。     

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.     

入射和反射激波与火焰相互作用的实验和数值显示

以等物质的量比的甲烷/空气为研究对象,利用YA-16多闪光高速照相机对火球在入射激波及其反射激波作用下的变形进行了实验研究.基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程,采用带有Superbee限制函数的波传播算法,对该现象进行了数值模拟,并用计算光学对数值结果进行了处理,得出的计算阴影图和实验阴影照片比较吻合.结果表明,火球在入射激波的作用下,出现了Richtmyer-Meshkov不稳定、斜压效应和Helmholtz不稳定,导致火球不断变形,在局部区域还出现了湍流,加剧了燃烧.随后,反射激波再次作用火球,加速火焰变形的同时,还使火球在波后高能量的可燃气中剧烈燃烧,湍流强度也大幅度增加,同时由于壁面的限制,使得火球发展呈蘑菇云形状.而激波穿越火焰时,轴线上的激波强度也会得到加强.     

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.     

人射和反射激波与火焰相互作用的实验和数值显示

以等物质的量比的甲烷／空气为研究对象，利用YA-16多闪光高速照相机对火球在入射激波及其反射激波作用下的变形进行了实验研究．基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程，采用带有Superbee限制函数的波传播算法，对该现象进行了数值模拟，并用计算光学对数值结果进行了处理，得出的计算阴影图和实验阴影照片比较吻合．结果表明，火球在入射激波的作用下，出现了Richtmyer-Meshkov不稳定、斜压效应和Helmholtz不稳定，导致火球不断变形，在局部区域还出现了湍流，加剧了燃烧．随后，反射激波再次作用火球，加速火焰变形的同时，还使火球在波后高能量的可燃气中剧烈燃烧，湍流强度也大幅度增加，同时由于壁面的限制，使得火球发展呈蘑菇云形状．而激波穿越火焰时，轴线上的激波强度也会得到加强．     

导流块深度对圆弧形凹面腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对圆弧形凹面腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对马赫数为1.4的径向入射激波在导流块深度分别为0、5、10、15、17.5、20、25 mm的凹面腔内反射聚焦过程进行了实验研究。用高速CCD拍摄了圆弧形凹面腔中气流流场纹影照片,并用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,对径向入射激波在凹面腔内的反射聚焦过程进行了描述。通过对比不同导流块深度下激波反射聚焦过程,发现随着导流块深度的增加,凹面腔出口宽度减少,气流的排出受到限制,导致凹面腔内部的湍流度增强,由于受到湍流的较强影响,内部激波结构减弱,从而对于激波聚焦产生高温高压区产生影响,不利于激波触发爆震。     

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。     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

压力波制冷机工作管开口端处的流动分析

对压力波制冷机内非定常流动过程、波系结构、激波形成机理等进行了探讨 .得到了入射激波Mach数(Ms)的表达式 ,并分析了进口气流速度、压力及膨胀比对Ms 的影响 .     

新型含尘气体激波管

详细介绍了新型两相激波管设计原理、气体与气固两相混合物分界平面的产生方法及粉尘浓度在线测量。作为应用，给出了强激波与气固混合物分界平面相互作用的实验现象，讨论了用于测量颗粒群阻力系数的可行性。     

火箭喷流对平板冲击的数值模拟

该文针对欠膨胀喷流对平板冲击产生复杂激波结构的特点 ,采用高精度的TVD有限体积格式对其进行数值模拟 ,获得清晰的冲击激波结构 ,如 :相交激波、马赫盘、曲面激波及马赫反射波等 ,同时给出不同时刻平板上的压力分布规律。为了加速收敛 ,文中应用了时间推进多步方法     

Study of interaction between shock wave and unsteady boundary layer

This paper reports theoretical and experimental study of a new type of interaction of a moving shock wave with an unsteady boundary layer. This type of shock wave-boundary layer interaction describes a moving shock wave interaction with an unsteady boundary layer induced by another shock wave and a rarefaction wave. So it is different from the interaction of a stationary shock wave with steady boundary layer, also different from the interaction of a reflected moving shock wave at the end of a shock tube with unsteady boundary layer induced by an incident shock. Geometrical shock dynamics is used for the theoretical analysis of the shock wave-unsteady boundary layer interaction, and a double-driver shock tube with a rarefaction wave bursting diaphragm is used for the experimental investigation in this work.     

某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场特性

超燃冲压发动机结构简单,推重比大,应用前景广阔.但其流场结构十分复杂,研究超燃冲压发动机三维流场结构具有重要的意义.采用计算流体力学软件对某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场进行数值模拟,先后得到了流场的密度、马赫数、涡量及速度矢量线图.结果表明:喷管内及侧壁面出口处存在膨胀波.各个壁面出口处附近的流场存在羽流激波和剪切层,内喷管出口周围的羽流激波和剪切层呈环状分布在流场周围,上壁面尾部受羽流激波的影响产生一道由压强决定的管内斜激波.内喷管出口及上壁面尾部处也均存在流向涡结构.     

超新星遗迹与分子云作用的多波段研究

超新星遗迹与分子云的物理作用,与当前超新星遗迹领域一些热门问题如热混合型X射线形态、高温气体的过电离现象、遗迹伽玛射线的强子辐射等等密切相关,特别是它已成为检视超新星遗迹加速宇宙线的上佳探针.这篇综述介绍了上述问题的相关研究和最新进展,其中重点介绍了我们的有关工作,如遗迹与分子云作用判据的归纳、分子谱线观测分析、反弹激波机制的引入、对过电离现象的率先解释、强子伽玛射线辐射＂逃逸质子的累积性扩散模型＂的建立等.     

激波-多涡列-声场相互作用及其POD分析

采用5阶WENO格式,通过数值求解二维非定常欧拉方程,模拟了激波与四涡组成的涡列的相互作用过程.通过研究马赫数为1.05的激波与强度为0.25的多涡列相互作用,进一步揭示了激波-涡列相互作用的动力学特性以及声波的产生过程.     

数值模拟入射斜激波／平板湍流边界层干扰流动

应用GAO-YONG可压缩湍流模型数值计算了入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰现象。计算程序中的对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算中包含了无分离流动、初始分离流动以及较大分离流动等多个情况,比较了平板壁面压力、法向平均速度剖面、壁面摩阻系数Cf以及壁面斯坦顿数St等的计算结果与实验值。结果发现：GAO-YONG可压缩湍流模型能够很好地预测入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰下的无分离以及小分离流动,对高马赫数下的大分离流动也能得到较合理的结果,但再附点之后的壁面摩阻系数以及斯坦顿数的计算值不够理想。     

基于绕射波的碳酸盐岩储层缝洞识别方法及应用

在塔里木盆地北部奥陶系碳酸盐岩储层中,沿断裂发育的溶洞和裂缝是重要的油气储集空间.因此,对于缝洞型油藏的地震识别关键在于断裂、裂缝和溶洞的刻画.溶洞和裂缝等储集空间存在形态多样性、多尺度性和非规则性,导致其地震响应通常表现为复杂的绕射波特征.基于绕射波的识别方法可从地震数据中去除反射波,只利用地震波场中的绕射信息进行分...