非定常汇聚激波反射与折射研究进展

非定常激波反射及折射由于其重要的科学及工程意义,成为了近年来激波反射及折射研究领域的热点.平面激波在曲面上的非定常反射现象近些年得到了较多的研究,在这个过程中激波强度不变,入射角随着曲面曲率的变化而不断改变,从而出现波系转变现象.当一道曲面激波在固壁上反射时,激波强度以及入射角均不断发生改变,从而有可能对波系现象有较大的影响.但实验室条件下生成具有特定变化规律的曲面激波一直是一个难题.翟志刚等人通过激波动力学理论提出并实现了将平面激波光滑转变为柱形汇聚激波的方法.在设计的水平汇聚激波管中开展了非定常汇聚激波反射及折射研究.本文介绍了本实验室近几年在非定常汇聚激波反射与折射方面的研究进展,重点关注了持续变化的入射角以及流场的非定常性对波系转变的影响,并提出了未来的研究方向.     

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。     

激波的反射与绕射

本文研究二维激波的绕射和反射问题。从一组偏微分方程组出发，采用任意四边形网格下的Ｇｏｄｕｎｏｖ有限差分格式实验计算了激波绕山体的运动，得到流体速度场和压力场，给出绕射激波的形成，反射波的空间形状和压力分布等值线，数值模拟结果是满意的，符合实际观察到的物理特性。本文结果可提供工程设计和安全防护的依据。     

非线性波动方程激波反射衍射问题

阐述了以可压等熵流的非线性波动方程为数学模型研究激波反射衍射问题的最新成果,即非线性波动方程两类初边值问题解的全局存在性和正则性研究成果.     

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.     

R-M界面不稳定性Level Set方法

在界面不稳定性的数值研究中最核心的是界面的精确描述。采用SCB格式，通过设置一个Level Set距离函数来标志界面位置，在界面两侧采用Ghost Fluid方法解Euler方程，能较准确地跟踪界面的发展，且在界面附近不出现非物理振荡。     

平面激波在活塞上的正反射

本文研究平面激波在活塞上的正反射问题。当激波遇到固壁时,立即发生反射现象。我们假设固壁很薄,忽略内部的弹性波和塑性波,把固壁看成刚体的活塞。当固壁遇到入射波的冲击时,就产生加速度而运动。我们研究在反射初期,由于固壁(活塞)运动所产生的效应。我们采用点爆炸的自模拟解(平面波)作为入射波。本文将反射区物理量展成泰勒级数,以使偏微分方程粗化为线性代数方程组,从而求得解的一级近似表达式。最后给出两个例子,结合例子分析了在反射初期,由于固壁运动所产生的效应。计算结果说明,固壁运动效应的大小决定于固壁的无量綱的初始加速度α_2(α_2=(ω_0t~2_1)/R_0,其中ω_0为固壁初始加速度,R_0为爆炸中心位置至固壁的距离,t_1为爆炸开始至波到达固壁所需的时间。)当|α_2|很小时(|α_2|≤0.5),固壁运动的效应是很微小的。     

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.     

激波诱导圆柱运动数值模拟

该文采用基于含有运动边界自适应非结构网格点的显式有限体积方法求解Euler方程，提出了一种运动边界的数值处理方法，对激波诱导的圆柱运动进行了数值模拟。由于物体的运动，物体边界附近的网格将发生变形。对运动边界附近严重变形的网格采用局部网格重新生成的方法进行处理。采用HLLC方法来处理运动边界问题，计算并比较了气流流过静止圆柱和圆柱在静止流场中运动2种情形。结果表明，应用HLLC方法处理运动边界是可行的。     

界面反射偏振像差分析

迄今为止的光学设计中,一般认为在同一光波面上,光束具有相同的振幅和偏振状志.事实上,光束经过许多光学元件后,偏振状态会发生变化,特别是由于入射角和光程不同,导致出射光波面上偏振分布不再均匀,形成偏振像差.本文主要就轴上物点发出的光束经过界面反射后的偏振像差进行了分析.     

真实气体平衡流反射型激波风洞性能计算

本文首先給出以氮作为稀释剂的氢氧燃烧驅动参数的計算方法;其次,以貝德方程作为高溫空气近似状态方程,推导出一套激波管流动参数的数值計算公式,运用文献[2]等給出的数据,拟合了一些适用于快速計算高超音速噴管平衡流动和风洞試驗段自由流参数的逼近公式,最后,給出計算結果并对結果进行了討論。     

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.     

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．     

爆轰驱动金属铝界面不稳定性的数值分析

采用自行研制的弹塑性流体动力学程序对爆轰驱动金属铝界面不稳定性进行了数值研究.分别计算了将铝片作为流体或弹塑性固体来处理的情形,并将计算结果与试验结果进行了比较.研究结果表明：对于爆轰驱动金属界面不稳定性的数值计算必须考虑弹塑性效应,用纯流体模型计算结果与实验结果相差很大,当考虑了弹塑性效应后计算结果与试验结果符合很好;对于金属界面不稳定性发展存在截止波长;当扰动波长由小变大时,扰动从基本不发展变化到以指数规律增长.     

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.     

针板电极作用下液体界面不稳定性分析

以去离子水为离散相液体,生物柴油为连续相液体,根据界面应力平衡,建立了针板电极作用下离散相液体的色散方程,分析了支配离散相液体变形破碎的界面波特性.采用显微高速摄像技术,对荷电去离子水在生物柴油中的界面形态变化进行了可视化研究,将去离子水在生物柴油中的破碎模式分为滴状模式、摆动滴状模式及锥-摆动射流模式.试验观察了不同模式中的界面波特征,结果表明:滴状模式下仅有轴对称界面波存在;在摆动滴状模式、锥-摆动射流模式中,轴对称界面波与非轴对称界面波共存;随着荷电电压的增大,轴对称界面波与非轴对称界面波的最优波数均增加;轴对称界面波的最优波数大于非轴对称界面波,但其增长倍率小于非轴对称界面波.     

界面反射偏振特性参量的测定

本文分析了光在界面上反射时的偏振性质及其变化,给出了一种非常简便地测量界面反射偏振特性参量的方法,并通过实例加以说明。     

激波诱导气泡破碎过程的数值模拟

为了对可压缩多介质流动中介质界面的剧烈变化过程进行模拟,采用发展的含拓扑结构改变的大变形非结构运动网格生成方法处理介质界面运动导致的网格畸变及拓扑变化.采用Riemann解构造出Lagrange界面来显式地追踪多介质界面运动.采用改进型虚拟流体方法构造介质界面的边界条件,在介质界面两侧分别求解守恒型的任意朗格朗日欧拉方法方程.对空气激波诱导圆柱氦气泡破碎过程、水中冲击波诱导二维气泡破碎过程进行了模拟,结果表明:该文基于非结构运动网格的多介质界面追踪方法可以有效地处理界面运动引起的拓扑结构改变.     

激波诱导变形液滴外流场数值模拟

基于Delaunay非结构网格生成方法和局部阵面推进重新生成网格的方法,应用边界边剖分与合并技术,对二维含自由表面流动中运动边界网格的生成方法进行了研究,改善了局部网格重新生成过程中的网格质量;对激波诱导变形水液滴在高速气流作用下的受力情况做了数值模拟.结果表明:该文在处理二维自由表面的动边界问题中采用的方法是可行的.     

激波作用下气柱不稳定性发展诱发湍流大涡数值模拟

利用Smagorinsky亚格子湍流模型,采用大涡数值模拟方法求解可压缩流体Navier-Stokes方程,通过算子分裂分步计算,给出了适用于可压缩多介质流体界面不稳定性发展诱发湍流的计算程序MVFT（multi-viscosity-fluid and turbulent）.引入耗散界面过渡层ITL（interface transition layer）描述SF6气柱初始状态,用MVFT程序对LANL激波加载SF6气柱的激波管实验进行了数值模拟,分析了气柱的形状、流场速度以及涡的特征.计算结果表明,MVFT给出的气柱宽度、高度比RAGE的更接近于实验,气柱上游边界、下游边界和涡边界的速度与实验基本吻合,略小于RAGE的计算结果.MVFT程序的有效性得到初步检验和验证.