激波与火焰的相互作用过程

基于带化学反应的Navier Stokes方程和有关的热力学和反应动力学数据,利用改进的VLS格式,对甲烷 空气混合物中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟。根据计算结果,讨论了激波掠过火焰时的变形、分叉和发展,以及激波作用下火焰的失稳、变形、破碎和相应的带旋涡的流场。

激波与火焰面相互作用数值模拟的GPU加速

为考察计算机图形处理器(GPU)在计算流体力学中的计算能力,采用基于CPU/GPU异构并行模式的方法对激波与火焰界面相互作用的典型可压缩反应流进行数值模拟,优化并行方案,考察不同网格精度对计算结果和计算加速性能的影响.结果表明,和传统的基于信息传递的MPI 8线程并行计算相比,GPU并行模拟结果与MPI并行模拟结果相同;两种计算方法的计算时间均随网格数量的增加呈线性增长趋势,但GPU的计算时间比MPI明显降低.当网格数量较小时(1.6×104),GPU计算得到的单个时间步长平均时间的加速比为8.6;随着网格数量的增加,GPU的加速比有所下降,但对较大规模的网格数量(4.2×106),GPU的加速比仍可达到5.9.基于GPU的异构并行加速算法为可压缩反应流的高分辨率大规模计算提供了较好的解决途径.

激波与火焰相互作用的化学动力学模拟

利用改进的Van Leer格式,通过求解带化学反应的Euler方程,对CH_4/O_2/N_2混合气中激波与火焰相互作用过程进行了二维数值模拟,其中使用了CH_4/O_2/N_2的化学动力学反应机理描述化学反应过程。计算结果与实验结果进行了比较,定性上符合得较好。讨论了不同激波Mach数和不同初始组分对激波导致火焰失稳的影响,结果表明激波Mach数的增加或初始混合气中CH_4和O_2的增加会促进火焰的变形、膨胀、乃至爆轰。从化学反应速率的角度揭示高反应活性的混合气能够加速反应体系的反应速率,促使火焰在变形的同时,加快燃烧过程并向爆轰状态转变。

激波与火焰相互作用过程的实验研究与数值模拟

在长4.8m、截面为60mm×60mm的卧式激波管中,进行激波与火焰相互作用过程的实验研究。利用YA16高速摄影仪拍摄了该过程的照片,显示了激波作用下火焰的失稳、变形和破碎。基于带化学反应的NavierStokes方程和有关热力学和反应动力学数据,利用改进的VLS格式,对该过程进行了数值模拟。根据实验和数值计算结果,讨论了火焰稳定性和漩涡生成机理,且理论计算与实验结果较为一致。

入射和反射激波与火焰相互作用的实验和数值显示

以等物质的量比的甲烷/空气为研究对象,利用YA-16多闪光高速照相机对火球在入射激波及其反射激波作用下的变形进行了实验研究.基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程,采用带有Superbee限制函数的波传播算法,对该现象进行了数值模拟,并用计算光学对数值结果进行了处理,得出的计算阴影图和实验阴影照片比较吻合.结果表明,火球在入射激波的作用下,出现了Richtmyer-Meshkov不稳定、斜压效应和Helmholtz不稳定,导致火球不断变形,在局部区域还出现了湍流,加剧了燃烧.随后,反射激波再次作用火球,加速火焰变形的同时,还使火球在波后高能量的可燃气中剧烈燃烧,湍流强度也大幅度增加,同时由于壁面的限制,使得火球发展呈蘑菇云形状.而激波穿越火焰时,轴线上的激波强度也会得到加强.

激波和火焰相互作用的数值模拟

本文应用基元反应模型和NND格式,数值研究了充满可燃预混气的二维管道中,激波和火焰的相互作用过程.计算中氢氧混合物的化学反应考虑了9种组分20个反应式,讨论了激波作用于火焰时,火焰的变化以及缓燃转爆震(DDT)的过程,分析了不同激波马赫数对激波和火焰作用过程的影响.结果表明:激波与火焰作用能触发爆震波的产生,爆震波是由管壁上形成的爆震中心引发.

二维高超声速进气道内激波-边界层相互作用

在多级压缩二维高超声速进气道中,激波边界层相互作用在前后两级压缩面交界的折角处会诱发壁面流动的分离,导致分离泡的产生.压缩面折角位置产生的激波与唇口处边界层相互作用,同样会诱发明显的壁面流动分离.这些分离现象均存在较为明显的动态特征和空间结构上的不稳定性,对进气道内流场及起动性能存在一定的影响.这里主要利用改进的高速纹影系统对二维二级压缩进气道内的流动结构进行观测及分析,揭示了分离流动的细节结构以及演化过程.在此基础上,采用改变壁面粗糙度以促进边界层转捩、壁面添加扰流器促进边界层内掺混流动等措施改变边界层流动状况,观察边界层控制对分离流动的影响,并取得了初步的结果.

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及其对风洞试验时间的影响.为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板,以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法.计算结果表明:环形隔板确实可以限制驱动气体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.

运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证Levelset方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Levelset方程追踪多流体界面,采用GFM方法处理流体内界面.利用文[1]的计算结果校核本文程序.在此基础上,对运动激波和气泡串相互作用过程进行了初步数值模拟,得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图象,包括压力和密度等值线分布.计算结果表明:针对推广后的多界面Levelset方程,该方法仍可高质量地捕捉多个流体界面.

一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源被动控制

为了探索一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源、被动控制方法,采用有限体积法计算流体力学程序,分别对压缩拐角和激波入射平板两种典型流动的附面层分离进行了无源被动控制的数值研究。数值结果表明,新型无源被动控制方法消除了20°压缩拐角流动所产生的分离泡;对激波入射平板所诱导的附面层分离,采用的自适应无源控制方法可将分离区长度减小为无控制时的58%、总压恢复可比无控制时提高7.2%、x=0.85m截面最大回流速度较无控制时减小了69.3%。从而验证了无源被动抑制控制激波-边界层相互作用的可行性。

激波与被物质覆盖的壁面的相互作用

本文对激波与被物质覆盖的壁面相互作用进行了数值研究。结果表明 ,覆盖物与主气流的密度比 η会影响流场结构和壁面压力分布。η >1时 ,激波在物质界面附近向内弯曲 ,并在壁面作正规或Mach反射 ,壁面上的压力峰值高于无物质覆盖的壁面。η <1时 ,激波在物质界面分叉形成λ波 。

气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。

地球弓激波及其与行星际激波相互作用

给定地球轨道附近的行星际条件和地球弓激波的几何位形,本文分析向阳侧弓激波强度参数沿激波阵面的分布,以及行星际激波与弓激波的相互作用.对于弓激波阵面相对日地连线轴对称的情形,得到如下结论:(1)弓激波强度参数分布相对由行星际磁场和日地连线构成的基准面对称,各激波强度参数的最大值出现在基准面上.磁压比在垂直激波线一侧较大,而气压比在平行激波点一侧较大,导致总压比相对日地连线大致呈轴对称分布.(2)随着行星际磁场与日地连线夹角的增大,弓激波强度参数的最大值有所减小,且位置朝远离日下点方向偏移;但气压比和总压比的分布基本上不受影响.(3)行星际激波透过弓激波之后,切向磁场比更接近于1,但总磁场跳变幅度增大.(4)透过弓激波之后,行星际准垂直激波的总磁场比更接近于1,准平行激波的总磁场比则反之.

适用于激波/边界层相互作用的线性涡粘性湍流模式

本文选择了两个激波 /边界层相互作用诱导分离的跨声速问题 (轴对称圆弧突起和二维管道突起 ) ,采用五个有代表性的湍流模式 (BL模式 ,JL k-ε模式 ,k-ω模式 ,SST模式和双尺度模式 ) ,通过将数值计算结果和实验结果进行比较 。

可控肥皂膜气柱界面与激波相互作用的实验研究（英文）

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也比文献的结果更对称。此外,还特别研究了由极小曲面特征导致的三维效应,发现三维效应使界面的演变和发展变慢了。本研究将有助于更多了解三维性对Richtmyer-Meshkov不稳定性发展的影响。

利用Ghost Fluid方法模拟激波与柱形界面相互作用

利用GhostFluid方法(后面简称Ghost方法)和γ model方法,在同样的时空离散精度条件下,对激波与柱形界面相互作用的二维可压缩流场进行了直接模拟,并与实验结果相比较.从模拟结果看,在短时间内,Ghost方法和γ model方法模拟的结果与实验结果基本相同,两种方法均正确地模拟出界面的位置、激波的强度和速度.但随着时间的发展,具有较大数值耗散的γ model方法的计算结果与实验差别越来越大;而数值耗散较小的Ghost方法能较为正确地模拟界面的运动.

三维激波／附面层相互作用的起始分离预测

给出了一种预测三维激盘／附面层相互作用诱导的流动起始分离的方法。研究结果表明：激波与附面层相互作用所诱导的二次流动是影响起始分离的重要因素。当来流相对马赫数大于１．５时，强的激波／附面层相互作用可能导致跨音风扇转子叶尖区域的流动分离。

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式,研究2个跨声速激波/边界层相互作用问题.采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式. 2个跨声速激波/边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动.通过数值计算结果和实验结果的比较,对有关的非线性湍流模式进行评估和分析.计算结果表明,非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关,反映了湍流的各向异性,比线性模式优越得多.

粘性相互作用对高焓激波风洞实验段自由流静压测量影响的分析

通过理论分析、实验测量和数值模拟,研究高超声速粘性相互作用对实验段自由流静压测量的影响。研究表明:由于粘性相互作用,高焓激波风洞实验段平板静压测量值远高于实际自由流静压。在热化学非平衡流情况下,经典的粘性相互作用参数和经验公式具有局限性。

激波(爆炸波)与物体相互作用的数值模拟(英)

给出了在二维和三维条件下激波（爆炸波）与物体相互作用的一些典型计算结果，概括总结了激波管中实验的有效性，提出了改进数值方法（包括差分格式，网格系统）。