平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法,研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程.研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成,以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化.首先,分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展,发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆;这些流动现象与液滴另外一侧(非通道侧)由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同,而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因.其次,研究冲击中期时,特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴,界面形态的演化过程和规律,揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象.最后,研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律,发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系.研究表明,更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值,而且使得峰值出现的时间更早.

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.