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。

基于郑州“7.20”极端暴雨事件分析极端情况下观测设备稳定性和观测数据准确性

基于2021年郑州“7.20”极端暴雨事件对地面气象观测设施及观测方法等准确性的影响,开展观测设备精准度、质控算法稳定性、设备状态及数据准确性等方面的分析研究,旨在提高观测质量,为严重致灾性极端大暴雨的服务及研究提供参考依据。研究结果表明:强降水期间,新型自动气象站稳定运行,SL3-1型双翻斗雨量传感器的小时累计降水量偏差值满足观测业务要求;降水多传感器控制系统引入的融合算法能够有效保证雨量数据正常采集;降水现象仪能够准确捕获降水粒子,真实反映降水实况,反演的降水量数据与雨量传感器观测数据的变化趋势基本相同;冰雹订正算法逻辑合理、运行稳定,可以有效滤除不符合降水实况的值。总体来说,郑州市国家基准气象站装备的气象探测设施在面对致灾性极端大暴雨时仍能正常运行,完成观测任务。

不同界面组分分布对Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.

密度扰动的类Richtmyer-Meshkov不稳定性增长及其与无扰动界面耦合的数值模拟

靶丸材料内部扰动在冲击波作用后会产生类似Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的增长并耦合到烧蚀面产生扰动种子.本文使用数值模拟的方法研究了这种类RM不稳定性增长规律以及不稳定性与界面的耦合机制.研究表明,线性阶段密度扰动类RM不稳定性增长速度满足δv∝k_(y)△uη.密度扰动到界面的耦合有声波耦合和涡合并两种机制,声波耦合引起的界面扰动增长速度满足δ_(v i)/(k_(y)△uη)∝e^(-k_(y)L).界面上的Atwood数为正时,界面上涡量和密度扰动的涡量方向相同,涡合并导致扰动速度增大.Atwood数为正时,降低界面上的Atwood数以及增大界面上过渡层的宽度均可减小密度扰动耦合引起的界面扰动增长.

用湍流模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导的湍流混合

将k-ε模型应用到存在激波的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合的研究中,采用代数关系式补充模型的封闭假设,给出了合理描述RMI特征的湍动能产生项的表达式。采用该模型对两个激波管实验进行了模拟。通过与实验和文献中的直接模拟结果比较分析,验证了所采用的模型封闭、模型常数、数值算法、程序实现是合适的。

激波冲击下air/SF_6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性

实验研究了低马赫数(1.27)激波作用air/SF6界面的RM不稳定性问题。air/SF6初始正弦界面由厚度为1～2!m的薄膜相隔得到,用阴影法测试界面演化过程。实验结果表明:由于不稳定性重流体(SF6)向轻流体(air)演化成"尖钉"结构,而轻流体演化为"气泡"结构;由于界面切向速度差的Kelvin-Helm-holtz不稳定性,"尖钉"头部翻转成蘑菇头形状;之后,蘑菇杆破碎。扰动振幅发展的实验结果与Zhang-Sohn模型和PPM数值计算的结果较吻合。

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管,在马赫数分别为M=1．5和1．7的条件下实验研究了气／液界面上(即Atwood数A接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象．得到了气／液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线性关系的结果,即h∝t．比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况,发现当马赫数增加时,同一时间混合区域宽度随之增加,混合区域宽度增长变快;而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人为干扰界面),当界面初始扰动获得随机外界干扰时,界面混合区域具有较大的宽度以及增长速度．并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性,流体混合程度更为剧烈．

纵向磁场抑制Richtmyer-Meshkov不稳定性机理

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU(corner transport upwind)+CT(constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性的发展;无磁场时,流场结构与Haas和Sturtevant(Hass J F,Sturtevant B 1987 J.Fluid Mech.18141)的实验结果相符;施加纵向磁场后,激波结构的演化基本无影响,但明显抑制了气柱界面的不稳定性.进一步研究表明,激波与界面的作用,使磁感线在界面上发生折射,改变流场的磁场梯度,在内外涡量层上形成磁张力.磁张力的形成,对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩,抑制了界面的失稳及主涡的卷起.另外,磁张力沿界面分布的不均匀,改变磁感线在界面上的聚集程度,放大磁能量,最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用.

混合流体Rayleigh-Benard对流的多重稳定性现象

通过流体力学基本方程组的数值模拟,初步探讨了矩形腔体内具有Soret效应的混合流体Rayleigh-Benard对流系统中斑图(Pattern)选择的多重稳定性(Multistability)现象.包括有间歇性缺陷的行波和缺陷源水平运动的对传波(Counterpropagating wave)的多重稳定性现象,不同波数的摆动(Undulation)行波的多重稳定性现象,行波和摆动行波的多重稳定性现象等.对由沿着r增加或r减小方向计算引起的斑图转化过程的滞后(Hysteresis)现象也进行了分析.结果说明混合流体Rayleigh-Benard对流系统中的滞后现象和多重稳定性现象是存在的.

气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

报道了在国内首次实现的矩形激波管内气/液界面上(即Atwood number,A1)的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象。实验在一台垂直矩形激波管中进行,得到了较低马赫数(M=1.36和1.58)下,多元扰动R-M不稳定性后期阶段气泡和尖钉高度对时间的增长规律,即气泡高度hb^t0.55±0.01,尖钉高度hs^t。当激波马赫数从1.36增加到1.58时,气泡和尖钉高度对时间的指数规律没有发生明显改变,气泡的增长速度没有受到影响,而尖钉增长速度却有大幅度的增加。同时还观察研究了多元扰动R-M不稳定性中典型的气泡竞争现象。

单模态Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

采用VOF(Volume of Fluid)方法和PPM(Piecewise Parabolic Method)方法,发展了可用于可压缩多介质粘性流体动力学问题的数值模拟方法MVPPM(Multi-Viscous-Fluid Piecewise Parabolic Method)。利用MVPPM对多个具有不同初始扰动振幅的二维和三维单模态RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性模型进行了数值计算,并与理论模型的计算结果进行了比较。结果表明,无论二维还是三维情况,当初始扰动振幅相对于波长较小的时候,计算的扰动振幅和增长率与理论模型的计算结果一致。当初始扰动波长不变而振幅逐渐增大时,界面振幅和增长率也逐渐增大。对于具有相同初始扰动的情况,三维计算结果在线性段与二维计算结果相同,但是在非线性段比二维结果大,说明非线性和三维效应在RM不稳定性发展过程中起着重要作用。

用浮阻力模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合

采用浮阻力模型对激波管低压缩和激光加载高压缩情况下的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合现象进行了研究。通过与实验和理论分析结果进行比较发现：为了达到好的吻合,Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下阻力系数的取值范围（2.0~5.36）比Rayleigh-Taylor不稳定性情况下的值（3.3~4.0）宽得多;而在Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下,高压缩时阻力系数的不确定度（约为3.36）明显高于低压缩时的值（约为1.46）,模型的进一步完善还有待于更精确实验的验证。研究显示：指数律经验公式中指数随工况的不同而显著变化,目前工程设计中采用指数律经验公式是粗糙的。

柱状交界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究

采用基于有限体积法的二阶Godunov格式模拟了柱形密度交界面在同轴激波加速下的演化过程。得到了以下初步结果:在参数相同的情形下,内聚激波比中心爆炸波对界面的扰动更危险;内聚激波从轻质流体进入重质流体与从重质流体进入轻质流体相比,界面有更快的增长。周向波数大小对界面增长率有很大的影响,在计算的参数下,n=8～12有最大增长率,大于和小于这个范围的周向波长,增长率均明显减弱。

单泡声致发光现象——气泡的稳定性

被水中驻波声压捕获在声压波腹的单个气泡,能周期地发出宽度50ps～140ps的光脉冲,这种现象称为单泡声致发光。稳定的单泡声致发光的参数主要由振荡形状稳定性、质量扩散平衡、组分的化学平衡和高的能量集聚等条件确定。文章将根据上述四条件对气泡的动力学稳定性作简单讨论。

技术扩散现象的稳定性

在技术传播中两类群体在互动中的扩散现象的变化规律取决于内增长率。当两类群体的接触率视为常数时 ,如果内增长率小于零 ,平凡解全局渐近稳定 ,技术扩散现象发展到一定时候会衰减直到消失。当内增长率大于零时 ,平凡解变得不稳定 ,但非平凡解稳定。由此推出 ,扩散现象由快速扩散到逐渐趋于稳定。

离散广义Logistic模型的稳定性和浑沌现象

文[1]提出了单种生长的连续性文广义Logistic dx/dt=γx({K-x}/(K+px))其中γ>ο为种群的内禀生长率,K>0为环境容纳量,ν>

青年患者不稳定性心绞痛T波伪改善并T波记忆现象一例

1例 2 8岁男性不稳定性心绞痛患者 ,静息心电图示Ⅰ、aVL、Ⅴ1 ～Ⅴ4 导联的T波倒置 ,心绞痛发作心电图示Ⅰ、aVL、Ⅴ1 ～Ⅴ4 导联的T波直立 ,Ⅴ1 ～Ⅴ4 导联ST段抬高 ,冠状动脉造影术发现前降支起始部及中段 2处狭窄 ,分别为 80 %～ 90 %、70 %。介入治疗术后心绞痛缓解 ,但术后 1周心电图与术前无明显变化。 1月后心电图完全恢复正常。考虑该病例有如下特点 :发病年龄轻、T波伪改善及T波记忆现象。

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.

冲击波波后辐射效应对Richtmyer-Meshkov不稳定性增长影响的实验研究

辐射冲击波波后物质具有辐射属性,它通过扰动界面引起的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的增长有别于通常的冲击波.在高功率激光装置上开展冲击波波后辐射效应对界面不稳定性增长影响的实验研究,认识波后辐射对界面增长的影响过程及规律,有助于提高高能量密度条件下RM不稳定性演化规律的认识水平及预测能力.基于神光Ⅲ原型高功率激光装置,设计并开展了两种激光驱动条件下的界面流体力学不稳定性实验,研究波后辐射效应对界面RM不稳定性增长的影响.实验中在较高功率密度驱动条件下CHBr扰动样品未见明显的扰动增长,结合模拟分析发现较高功率密度条件下辐射前驱波波阵面和冲击波波阵面明显分离,辐射前驱波在冲击波到达扰动界面前烧蚀扰动界面,改变了界面的初始状态,界面不稳定性增长过程中密度梯度的增大和界面Atwood数的减小抑制了界面RM不稳定性的增长.

用二阶矩模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导湍流混合

发展了考虑密度脉动和各向异性湍流的二阶矩模型,强调了涉及湍流能量产生项的关联。采用该模型对Poggi等的激波管实验进行了模拟。通过与实验结果的比较分析,验证了采用的模型封闭、模型常数、数值算法和程序实现是合适的。在此基础上,进一步探讨了冲击马赫数和Atwood数对混合的影响。