爆轰驱动铝飞层扰动增长的数值模拟（英文）

建立了研究炸药爆轰驱动条件下金属材料Rayleigh-Taylor不稳定性问题的实验技术和数值模拟方法。利用该实验技术和数值模拟方法研究了炸药爆轰驱动条件下,铝飞层界面Rayleigh-Taylor不稳定性增长规律,数值模拟显示界面扰动振幅以指数规律增长。数值模拟结果和实验定性相符,但是定量相比有较大差别,原因是高压高应变率加载条件下铝的强度增强,而数值模拟时所采用的SG本构模型在这样的加载条件下低估了铝的强度而导致对扰动增长致稳作用不足。然后在数值模拟中,通过改变材料的初始剪切模量和初始屈服强度,发现在一定范围内,初始剪切模量对材料动态屈服强度没有影响,而初始屈服强度增大可以明显提高材料的动态屈服强度,达到抑制扰动增长的目的,表明材料屈服强度主导界面扰动增长。

爆轰驱动Cu界面的Richtmyer-Meshkov扰动增长稳定性

研究了爆轰驱动Cu界面的扰动增长过程,分析了不同初始条件下的扰动增长规律和主要失稳机制.研究结果表明:温度相关的熔化失稳和塑性变形相关的拉伸断裂失稳是界面扰动增长过程的主要失稳机制;高能炸药爆轰驱动Cu材料界面时,冲击波加载引起的温升和扰动增长阶段塑性功转换引起的温升不足以熔化Cu材料,拉伸断裂是导致扰动增长不稳定的主要机制;扰动增长非线性阶段尖钉的最大累积有效塑性应变与尖钉振幅之间存在定标关系,结合熔化条件和断裂应变判据建立的尖钉振幅失稳条件可用于分析界面扰动增长的稳定性.

GRAPES区域集合预报模式的初值扰动增长特征

基于GRAPES-REPS(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System)区域集合预报模式和集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)初值扰动方法,对2015年6月1~15日10 km与15 km水平分辨率分别进行集合预报试验,通过分析ETKF初值扰动分量、初值扰动方差准确率、动能谱、扰动能量演变、日变化及集合离散度、均方根误差等特征,揭示GRAPES-REPS区域集合预报ETKF初值扰动结构及增长特征。结果表明:(1)ETKF初值扰动方案产生的扰动能够保持所有正交、不相关方向的误差方差,且ETKF分量α参数值及放大因子具有较好的稳定性。(2)ETKF初值扰动方法生成的扰动场以大尺度扰动为主,扰动结构及能量具有随流型依赖特征,低层以内能扰动为主,高层以动能扰动为主,且集合扰动可以有效捕捉预报误差的结构。(3)GRAPES区域集合预报初值扰动总能量和集合离散度随预报时效的延长均呈发展趋势,但离散度增长率小于均方根误差增长率,即集合预报总体存在集合离散度不足的问题。(4)水平分辨率提高可以增加中高层大尺度扰动波谱能量,明显改进等压面及近地面风场及温度场的集合预报效果。值得指出的是,GRAPES-REPS区域集合预报低层内能扰动能量存在明显的日变化特征,特别是青藏高原地区更加显著,需要进一步研究青藏高原初值扰动结构的合理性。

爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,尖钉的最大振幅与增长速度无量纲数之间存在线性近似关系,进一步理论分析表明尖钉的振幅增长因子与加载压力、初始扰动形态和材料强度有关,该理论关系作为扰动增长规律的线性近似在一定范围内适用于多种金属材料.

高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性扰动增长的数值模拟

为深入认识高压高应变率加载条件下影响金属界面Rayleigh-Taylor不稳定性扰动增长的相关因素及物理规律,以高纯铜为例开展金属界面扰动增长行为的数值模拟研究。基于有限差分程序AUTODYN建立爆轰加载下金属界面扰动增长的二维数值计算模型,重点分析界面初始扰动特征和材料强度特性对界面扰动增长行为的影响。相关数值模拟结果表明:高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性扰动增长与界面扰动的初始幅值和初始波长均密切相关,并存在一个临界幅值:在初始幅值小于临界幅值情况下,界面扰动的增长随初始波长增加而增大,最终趋于一个稳定值;当初始幅值大于临界幅值时,界面扰动的增长情况则相反。样品初始厚度对扰动幅值发展也起到重要作用,并存在一个临界厚度:在扰动增长初期,扰动幅值增长和纯流体模型的计算结果相似,几乎与材料强度无关;在扰动发展后期,材料屈服强度越大,相应地扰动幅值增长就越小。相比较而言,剪切模量对扰动幅值增长过程的影响可以忽略。

增长模在热带地区发展的分析研究

利用T63L9全球谱模式对制作集合预报的增长模繁殖法(BGM)在热带地区的适用性进行研究,分析了在热带地区扰动增长的机理。设计与物理过程、积云对流参数化方案及湿物理过程有关的3个敏感性试验及1个控制试验。为了讨论不同物理过程对BGM生成扰动的影响,定义扰动动能变化率对试验结果进行分析。结果表明:在热带地区积云对流强盛区内风场扰动能够快速增长。扰动增长机制在热带地区与中高纬地区有本质区别,热带地区扰动的发展主要受物理过程的作用,其中模式积云对流及湿物理过程对扰动中快速增长的部分起着至关重要的作用。中高纬地区扰动发展与背景场的斜压不稳定有关。

瑞利-泰勒不稳定性线性增长的密度梯度致稳

研究了密度梯度对瑞利-泰勒不稳定性的致稳作用,采用有限元算法求解钱得拉塞卡方程本征值问题,得到不同密度分布下理想不可压流体力学量的扰动线性增长率及扰动速度分布。扰动增长率结果与修正的Lindl公式的计算结果比较发现:扰动分布的峰值位于密度梯度标长的取值位置处,波长与密度标长可比拟时,扰动增长率显著偏离Lindl公式,而长波和短波极限情况下,数值解和Lindl公式符合较好。

锥形液膜的Kelvin-Helmholtz扰动波

为进行锥形液膜雾化过程分析,研究锥形液膜的Kelvin-Helmholtz稳定性问题,应用小扰动假设,建立了锥形液膜数学模型、轴对称扰动运动的控制方程和边界条件,采用分离变量法求解线性偏微分扰动方程组,经过严格的数学推导,得到了锥形液膜内外表面扰动波增长速率特征方程。当液膜锥角为零时,与环形液膜扰动波特征方程一致;当液膜锥角和液膜内径为零时,与圆射流扰动波特征方程一致,表明导出的锥形液膜扰波动方程是合理的。

基于泥沙异重流稳定性与衰减过程的床面淤积特性研究

泥沙异重流在稳定分层和不断衰减的过程中,伴随着床面淤积特征的变化。通过水槽试验观测异重流“稳定-衰减”过程,结合异重分层流运动理论模型,探究该过程对床面淤积特征的影响。研究结果表明,增加异重流层密度或厚度,形成稳定分层形态的时间明显缩短,同时延长了分层形态的维持时间;计算得到的临界雷诺数与扰动波数虚部相应增加,分层形态稳定性得以增强。异重流的稳定行进对于减小床面淤积具有重要作用,试验中临界雷诺数增加568~820,平均淤积厚度降低了42%~46%。因此,提高异重流稳定性并延缓衰减速率,有助于提高输沙率,可以达到减淤的目的。

R-T不稳定性发展的二维和三维对比研究

应用摄动方法研究不同密度流体交界面上的Rayleigh Taylor(R T)不稳定性问题 ,分别研究了二维 ( 2D)与三维 ( 3D)R T不稳定性的线性与非线性增长 ,并进行了对比。得出的结论为 :( 1 )三维不稳定性的线性增长比二维情况要快 ,且同维度上相同的初始扰动波长 ,其时间增长指数受另一维度上的初始波长影响。 ( 2 )R T不稳定性发展在考虑了非线性增长的影响之后 。

二维轴对称摩擦制动器瞬态热弹性失稳的研究

提出考虑摩擦层闸片厚度的影响,建立二维轴对称摩擦制动器热弹性失稳的数学模型。基于扰动分析法,推导摩擦副的温度场扰动以及不同热点分布模式下的热特征平衡方程。研究临界速度和扰动增长系数的变化规律。计算摩擦面瞬态名义温度随制动时间的变化关系。分析和比较不同摩擦副厚度比、热导率、弹性模量、比热容以及热膨胀系数对系统稳定性的影响。结果表明,当热点呈反对称分布时,系统发生热弹性失稳时所需的最低临界速度远低于对称分布模式,临界速度随扰动频率的增加呈先减小后增加的变化趋势。不同扰动频率对应的扰动增长系数随滑动速度近似呈线性增加,最低临界扰动频率对应的扰动增长系数最大。当扰动频率低于临界扰动值时,温度随扰动频率的增加而增加,反之,则降低。增加摩擦副的厚度、摩擦层闸片的热导率和比热容以及减小滑动层制动盘的热导率和热膨胀系数和摩擦层闸片的弹性模量均可以提高滑动摩擦系统的稳定性。

制动盘材料和结构对滑动摩擦系统热弹性失稳的影响

建立了滑动摩擦系统热弹性失稳的数学模型,并推导了不同热点模式对应的临界速度表达式。分析了摩擦副的厚度和滑动层材料的热物理特性参数对摩擦系统热弹性失稳的影响。结果表明:滑动摩擦系统更易出现反对称分布的热点模式;增加摩擦层厚度,减小滑动层厚度、热传导系数、弹性模量以及热膨胀系数均可以提高标志滑动摩擦系统进入热弹性失稳状态所需的最低临界速度,而滑动层比热容对系统的稳定性几乎没有影响。

热非平衡效应下蒸发或冷凝剪切液膜流的非稳定性

热非平衡效应下的液体薄膜流在相变和剪切力耦合作用下,气液交界面处的边界条件更为复杂,在一定程度上影响着液膜流动的非稳定性。通过建立热非平衡效应和剪切力耦合作用的液膜流动控制模型,得到扰动增长率与热非平衡效应、相变强度、剪切力、雷诺数和倾角间的理论表达式,探讨了不同因素对流动非稳定性的影响规律。研究表明,界面蒸发状态所引起的扰动将加剧流动非稳定性,而冷凝状态减缓其非稳定性;热非平衡效应及其相变强度的影响在小雷诺数下较为明显,随雷诺数增加,其影响逐渐减弱。扰动增长率随倾角呈单峰曲线变化,垂直液膜处于最不稳定状态,而水平流液膜最有利于减小流动的非稳定性;正向剪切力使表面波非稳定性增强,反向剪切力使其非稳定性减弱。

摩擦片材料和结构对制动器热弹性失稳影响

建立了二维摩擦制动器热弹性失稳(TEI)数学模型.基于反对称热点分布模式,采用扰动分析法研究了临界速度、扰动增长系数以及扰动迁移速度的变化规律,讨论和比较了摩擦片厚度、热物理特性参数和有限周向接触弧长对系统稳定性的影响.结果表明:临界速度随扰动频率呈先减小后增大的变化规律;扰动迁移速度在摩擦片和金属盘内随扰动频率呈相反的变化趋势,且扰动在具有较高导热系数的金属盘内的速度几乎为零;增加摩擦片厚度、导热系数、比定压热容和减小弹性模量均可提高滑动摩擦系统的热弹性稳定性.

二维剪切液膜流表面波的线性稳定性特征

当气液界面存在气流剪切作用时,将在不同程度上影响液膜流动的水动力学特征和流动稳定性。基于层流剪切液膜流动的稳态解,分析了切应力对液膜流动状态的影响。采用积分法,建立了沿倾斜壁面下降的二维剪切液膜流表面波扰动演化方程,模型中包含界面切应力、雷诺数、波数和倾角等参数的影响。研究表明:行波和惯性波的波速受均雷诺数和切应力的影响;同向切应力为不稳定性因素,逆向切应力的稳定性影响与雷诺数有关;同向切应力使临界雷诺数减小,逆向切应力使其增大,切应力对临界雷诺数的影响在不同倾角下也有所不同。

垂直磁场对铝电解槽稳定性的影响

用有限元方法求解铝电解槽二维浅水磁流体模型的特征值问题 ,近几年来在电解槽稳定性研究中成为一种新的途径。文中试图通过不同的母线配置以获得不同的磁场分布 。

雷诺数对后向台阶剪切层转捩特性的影响

二维后向台阶分离流动是研究流动分离再附特性及机理的经典物理模型.运用二维时间解析粒子图像测速（PIV,Particle Image Velocimetry）技术,对雷诺数在300~3 000之间后向台阶分离再附流动进行了二维速度场测量,研究后向台阶层流剪切层转捩位置随雷诺数的变化.研究发现,随雷诺数的增大,再附点的位置不断前移,转捩点的位置随之前移.转捩点在剪切层中的相对位置与雷诺数成反比函数关系.另外,在转捩发生之前,扰动会经历一段线性增长阶段,其空间增长率与雷诺数正相关.

有限厚度闸片制动器热弹性不稳定性研究

在Lee研究的热弹性模型基础上,考虑了制动闸片厚度对热点产生的影响;确定了瞬态热传导方程和热弹性平衡微分方程的边界条件,得到了系统发生热弹性不稳定的临界速度表达式.计算结果表明:系统存在着临界扰动频率;系统的扰动指数增长率随速度近似呈线性变化;扰动在低导热系数的闸片材料内速度几乎为0;不同的扰动频率对临界速度和扰动指数增长率均有影响.

低浓度三分子模型差速流动引起的化学不稳定性

建立了低浓度三分子反应模型反应-流动-扩散方程,从理论上分析了出现差速流动化学不稳定的条件,得到了临界流动速率φc和扰动波包的群速度vg,讨论了扰动增长率与流速φ的关系,初步讨论了出现不稳定时的系统空间结构.研究表明,化学反应在低浓度条件下也可能出现差速流动引起的化学不稳定.

用守恒型间断跟踪法数值模拟Richtmyer-Meshkov不稳定现象

使用茅德康所建立的守恒型间断跟踪法[Mao D.J Comput Phys,2007,226(2):1550-1588],数值模拟了两个关于Richtmyer-Meshkov不稳定性现象的物理实验,并且将数值模拟结果与Holmes等人在文[Holmes R L,Grove J W,Sharp D H.J Fluid Mech,1995,301:51-64]中所获得的结果进行了比较.该文的结果与Holmes等人所得到的结果在总体上有较好的一致性.该文的数值模拟也捕捉到了非线性的压缩现象,即穿越波和反射波相互作用所产生的现象,Holmes等人指出其是导致介质界面减速的原因.但是所得到的扰动振幅和扰动增长率比Holmes等人所得到的结果略大一些.