奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象

开尔文-亥姆霍兹不稳定性是两种流体作平行于水平界面的相对运动时的流动稳定性问题之一.文章从自然现象"波浪云"谈起,介绍了开尔文-亥姆霍兹不稳定性的理论定义、该不稳定性现象形成发展的过程及其流动可视化;并简单阐述了实验室和自然界中其他"类开尔文-亥姆霍兹不稳定"现象,重点介绍了梵高名画《星月夜》和笔者在从事沟槽壁面湍流场可视化实验中观察到的一种展向"类开尔文-亥姆霍兹涡棍"结构,指出它们的形成及发展演化是沟槽湍流减阻达到最优之后,减阻效应趋弱直至增阻的原因.

黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响

基于磁流体力学方程组,采用计算机数值模拟,研究了等离子体中黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.分别从密度和磁场分布、涡流结构演化、熵的空间分布和能量转化的角度讨论了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,并且与黏性各项同性的结果进行对比.数值模拟结果表明,在Kelvin-Helmholtz不稳定性演化过程中,黏性各向同性和各向异性等离子体剪切界面密度越低的位置,涡量越大,熵值也越大.相比黏性各向同性,黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性有抑制作用.

黏性各向异性磁流体Kelvin-Helmholtz不稳定性:二维数值研究

利用corner transport upwind和constrained transport算法求解非理想磁流体动力学方程组,对匀强平行磁场作用下,黏性各向异性等离子体自由剪切层中的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了数值模拟.从流动结构、涡结构演化、磁场分布、横向磁压力、抗弯磁张力等角度对各向同性和各向异性黏性算例结果进行了讨论,分析了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.结果表明,黏性各向异性比黏性各向同性更利于流动的稳定.其稳定性作用是由于磁感线方向上剪切速率降低导致界面卷起程度和圈数的降低,并使卷起结构中小涡产生增殖、合并,破坏了涡的常规增长,从而导致流动的稳定.黏性各向异性对横向磁压力的影响比对抗弯磁张力更大.

流体界面不稳定性耦合作用的格子Boltzmann模拟

使用格子玻尔兹曼方法对二维不混溶、不可压缩流体的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性进行数值模拟。以卷起高度H作为参考值,研究了密度比、表面张力、切应力对流体K-H不稳定性内产生Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性的影响。研究结果显示,密度比对两种不稳定性耦合起决定性作用。密度比接近1时,K-H不稳定性中不会产生R-T不稳定性,随着密度比增大,K-H不稳定性中开始产生R-T不稳定性。表面张力系数的增大对流体产生K-H不稳定性及两种不稳定性的耦合的卷起高度变化没有影响,但会对流体向内运动起抑制作用,且卷起流体的厚度明显增加。切应力对两种流体不稳定性的耦合起抑制作用。

纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示

纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s^+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s^+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于"开尔文-亥姆霍兹"不稳定性而产生的一种"类开尔文-亥姆霍兹"展向涡结构.实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种"类开尔文-亥姆霍兹"展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.

基于大涡模拟的圆柱绕流剪切层不稳定性

圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000,3900,5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不稳定性的深入研究.为获得剪切层不稳定性的特征频率,分别采用传统的监测点分析与局部流场的动态模态分解方法进行计算.结果显示,两种方法得到的频率基本一致.不过,相比传统方法,动态模态分解方法一方面能克服人为选择监测点带来的随机误差,较便捷地给出剪切层不稳定性特征频率,另一方面还能进一步通过不同流场模态分析出不同Re对剪切层不稳定性特性的影响.

橡胶复合靶板抗射流侵彻的理论和实验研究

根据射流侵彻橡胶复合靶板后射流变形情况,将橡胶复合靶板抗射流侵彻过程分为4个阶段。基于应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹不稳定性对橡胶复合靶板抗射流侵彻过程进行了理论分析,得到射流失稳时射流的速度区间及橡胶复合靶板对射流的干扰频率,并分析了射流侵彻橡胶复合靶板后的剩余侵彻能力。分析了橡胶夹层厚度变化和橡胶复合靶板倾角对橡胶复合靶板抗射流干扰的影响,得到最佳橡胶夹层厚度和倾角,并通过实验对理论结果进行了验证。结果表明,开尔文-亥姆霍兹不稳定性能很好地分析橡胶复合靶板对射流的干扰作用。橡胶复合靶板在倾角为60°、橡胶夹层厚度为3～3.5 mm时具有最佳防护性能。

纹层状细粒碳酸盐岩成因:以贵州习水吼滩剖面下奥陶统为例

纹层是组成层理的基本单位,既可以是低能深水沉积环境的产物,也可能形成于高能环境中。在受风暴影响的区域,微小的泥质颗粒能够在流动过程中发生絮凝形成絮粒并沉积下来形成纹层。贵州习水吼滩剖面下奥陶统桐梓组碳酸盐岩纹层发育,纹层中风暴沉积构造丰富,包括风暴侵蚀面和渠模等。基于细致的野外观察和室内沉积学研究,将在风暴作用影响下形成的纹层划分为5个类型:平行厚纹层、单向交错薄纹层、平行薄纹层、波状厚纹层和水平厚纹层。采用EDS元素面扫描方法,发现亮、暗纹层中都含有铝、硅和镁元素且分布都比较均匀,而暗纹层所含黏土矿物稍多,所以暗纹层中3种元素的含量比亮纹层的稍高。利用开尔文—赫姆霍兹不稳定性解释了亮、暗纹层的形成机制,即絮粒与未发生絮凝的微小颗粒在开尔文—赫姆霍兹不稳定性作用下交替沉积,其中以絮粒为主的纹层更容易发生重结晶形成亮纹层。根据各纹层不同的垂向结合序列划分出3种风暴序列,且从Ⅰ型到Ⅲ型风暴作用逐渐减弱。

土星千米波辐射源及磁层内磁力线弯曲

本文提出一个模型，通过此模型得到土星千米波辐射源（Saturn’s Kilometrlc Radiation Source）的分布．这个模型就是：磁层顶的开尔文一亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtz Instability）会导致阿尔芬波沿着弯曲的磁力线传播到土星极区附近，并在这个过程中使土星电离层附近（1Ra高度，Ra为土星半径）的粒子加速沉降，发生回旋不稳定性（Cyclotron MaserInstability），进而产生R—x模式辐射的非寻常波（Extraordinarywave）．我们认为，极区发生回旋不稳定性的区域就是土星千米波辐射源的区域．本文求出了磁层顶附近开尔文一亥姆霍兹不稳定性发生在土星本地时（Saturn’s Local Time）11 LT以前，得出了阿尔芬波沿磁力线传播到土星需要约38．3min，求解出向阳面磁力线弯曲了约80°，最后得出土星千米波辐射源分布从黎明段的7～9LT延伸到傍晚段的18LT，并且黎明段分布的纬度比傍晚段低．