高马赫数激波作用下单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

为了研究高马赫数激波冲击下的单模界面Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性,特别是高马赫数激波带来的热化学非平衡效应的影响,采用基于有限体积方法的二维高温非平衡流动程序,利用自适应非结构网格模拟了空气中高马赫数激波冲击两侧温度不同的单模界面导致的RM不稳定现象。研究中涵盖了轻/重界面和重/轻界面2种情况,涉及的激波马赫数范围分别为6~9和8~11。对比了冻结流、热非平衡流和热化学非平衡流3种气体模式下的流场演化过程,揭示了扰动增长和增长率的变化规律。通过对比扰动增长的线性理论和非线性理论,分析了初始激波马赫数和初始扰动尺度的变化对RM不稳定性的影响,同时讨论了涡量场分布和环量的演化规律。结果表明,与冻结流相比,热化学非平衡流中透射激波、反射波及界面速度明显不同,扰动振幅增长率峰值降低,界面增长率脉动减弱,界面不稳定性增长速度变慢。通过对比多种理论模型和本文的数值模拟结果,发现Zhang-Sohn模型相对于其他模型更适用于高马赫数激波作用下的单模界面RM不稳定性问题。对涡量场的研究发现,有2个较强的涡量生成区域,一个位于界面上,另一个位于透射激波波后,这同低马赫数下涡量主要在界面上生成的结论显著不同。此外,热化学非平衡流中环量的幅值大小低于冻结流中的结果,这与热化学非平衡流中扰动的增长低于冻结流的结论对应。

压缩性对涡环物理特征及其传播速度的影响规律

在3维可压缩流场中,涡环是最基本的涡结构.为了揭示压缩性对涡环物理特征的影响规律,基于有限体积法求解3维可压缩Navier-Stokes方程,研究激波管产生的轴对称可压缩涡环.可压缩涡环的可压缩性由局部马赫数与涡马赫数定量表征;可压缩涡环的形态特征分为3类,分别为亚声速特征、跨声速特征及超声速特征.在可压缩性的作用下,涡环的结构参数受到一定的影响:涡核内涡量的分布愈加偏离高斯分布,表现为涡量集中区域范围愈加狭窄;涡环半径随着可压缩性的增加逐渐增加;涡核半径先增加,在可压缩性更强且存在嵌入激波的情况下又略微有所减小;涡环的传播速度与可压缩性成正比,由涡马赫数计算得到的理论传播速度与计算结果基本一致,表明了传播速度理论公式同时适用于这3种特征的可压缩涡环.

Theoretical solutions to three-dimensional asymmetrical shock/shock interaction

This paper explores theoretical solutions to the three-dimensional （3D） shock/shock interaction induced by 3D asymmetrical intersecting compression wedges in supersonic inviscid flows. For Mach interactions, an analytical method known as spa- tial-dimension reduction, which transforms the problem of 3D steady shock/shock interaction into a two-dimensional （2D） pseudo-steady problem on cross sections, is used to obtain the solutions in the vicinity of the Mach stem. The theoretical solu- tions include the pressure, temperature, density, Mach number behind the Mach stem, and total pressure recovery coefficient. Numerical simulations are performed to validate the theoretical results. Here, the NND scheme is employed by solving 3D in- viscid Euler equations, and good agreements are obtained. The asymmetry of the flow characteristics induced by the wedge angle and sweep angle are thoroughly discussed.