高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性,而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征.模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制,其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征.而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证,即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段,高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果,而是会发生逐层的剪切剥离和破碎.本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响.结果表明,高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性,并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律.在激波的驱动下,液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期,液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生,迎风面积的增加导致拽力系数的增大,进而导致液滴加速度的不断增大.

带相变气液界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值模拟研究

本文使用近期提出的一种带相变清晰界面方法,针对有无相变效应存在时的气液界面Richtmyer-Meshkov不稳定性问题进行了数值模拟研究,分析了单模正弦扰动界面在激波冲击下的波系结构和界面演化机制.文中首先模拟了激波冲击air/SF_(6)界面以及水柱的经典算例来检验数值方法的可行性,数值模拟和实验结果总体上相吻合,表明目前的方法能够精确捕捉气液界面Richtmyer-Meshkov不稳定性发展过程中的界面流动演化特征.接下来,分别研究了三种不同马赫数激波冲击下无相变、蒸发以及冷凝共十三种工况下气液界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的发展异同.研究表明,与air/SF_(6)界面的情况不同,由于气液界面之间存在巨大的声阻抗差异,界面不稳定性发展过程中会形成特殊的双尖钉结构.相变过程对界面变形产生的影响表现为蒸发效应抑制界面不稳定性的发展,而冷凝效应则促进界面不稳定性的发展.最后,通过比较数值模拟结果和已有的线性模型,冲击模型能够较好地预测气液界面不稳定性发展前期的线性增长,而有关后期的非线性增长阶段还有待进一步研究.