2004年苏门答腊大地震激发的T-波

T-波是由海底地震或者海陆边界俯冲带附近地震激发,并在海洋低速层中传播的声波.2004年12月26日,在印度洋东部印尼苏门答腊岛附近发生MW=9.3级大地震,其产生的能量在印度洋中激发了巨大的海啸,造成了严重的人员伤亡和财产损失,受到了世界科学家们极大的关注.本文从台站（PALK）及台站（DGAR）记录到的地震的信号中,提取出了清晰的高频T-波,并在频率域内分析,最终得到了T-波的频谱已及频率随时间变化图像.另外,通过对大地震时间域和频率域内T-波信号的分析,了解到此次大地震断层破裂过程持续的时间大致为500 s,其间伴随有两次明显的能量释放过程.分析数据表明两次能量释放过程的间隔大致为80～100 s.T-波分析将为推断海洋地震以及海陆边界俯冲带附近地震的特征,提供一种独立的研究手段和方法.

有限振幅T-S波在非平行边界层中的非线性演化研究

研究对非平行边界层稳定性有重要影响的非线性演化问题 ,导出与其相应的抛物化稳定性方程组 ,发展了求解有限振幅T_S波的非线性演化的高效数值方法· 这一数值方法包括预估_校正迭代求解各模态非线性方程并避免模态间的耦合 ,采用高阶紧致差分格式 ,满足正规化条件 ,确定不同模态非线性项表和数值稳定地作空间推进· 通过给出T_S波不同的初始幅值 ,研究其非线性演化· 算例与全Navier_Stokes方程的直接数值模拟 (DNS)的结果作了比较·

超声速边界层中小幅值T-S波的数值研究

对来流马赫数Ma∞ =4 5的平板边界层中 ,幅值A分别为来流速度的 0 0 1,0 0 0 1,0 0 0 0 1倍的扰动波传播的物理过程进行了直接数值模拟· 计算采用 NND格式· 模拟中发现即使扰动幅值尚小时 ,流场中即已出现小激波·

二维T-S波在壁面局部喷吸边界层流中的演化

采用壁面设置局部法向速度模拟喷吸条件,数值计算获得稳定的三维边界层基本流的数值解。在此基础上,研究不稳定的二维扰动T-S波在空间演化过程的非线性问题;探讨边界层壁面局部无量纲喷吸速度0.004,0.000 6对二维T-S波非线性演化的影响及其对增长率的贡献。数值计算结果表明,边界层平均流剖面的改变促进了扰动波的快速增长,增强了流体运动的不稳定性,扩大了中性曲线的不稳定区域范围,不稳定的二维T-S波获得了更大的增长率;不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动速度及高次谐波,其三维扰动基本波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;正、负相间流向涡及强剪切层已初步形成。

采用Galerkin离散方法的T-小波边界元法

提出一种采用Galerkin离散方法的T-小波边界元新方法.通过边界元形函数的正交变换构造T-小波,以T-小波为试函数和测试函数,采用Galerkin方法离散积分方程,对所形成的系数矩阵进行压缩,有效地降低了边界元分析的计算和存储量.此外,还提出一种系数矩阵快速计算方法,通过泰勒多项式的矩量矩阵变换得到关于泰勒多项式法向导数的矩量矩阵.此新方法的特点是只需构造1组T-小波作为基函数,克服了现有T-小波边界元法采用Petrov-Galerkin方法离散边界积分方程需分别构造试函数和测试函数、用于小波构造的计算和存储量大的问题.通过对2个中、大规模电容提取问题的算例进行求解,结果表明:此新方法在保持精度不变的情况下,可将用于T-小波构造的计算时间和内存占用量分别降低约一半.

平面槽道中T-S波的传播速度

针对平面播道流的情况，用数值模拟方法研究了T-S波的传播速度，数值方法是采用高精度的有限差分格式，求解N-S方程.结果表明，T-S波的传播速度近似与dω/dα的实部相等，扩展了Gaster的结论，并对能流速度与dω/dα的实部不相等的原因给予解释.

T-S波与边界层尾缘相互作用的数值研究

现代喷气式飞机的主要噪声源之一是在机翼的尾缘及喷流发动机的出口处,即流体流过尾缘时产生的强烈脉动,目前这类脉动产生噪声的机理尚不清楚。用直接数值模拟的方法,研究了二维亚音速情况下,上下来流相同的流体流过无限薄平板时,平板单边的T-S波和尾缘及尾迹流相互作用产生声场的可能性。结果表明,尾迹流中的Lighthill应力张量能在远场产生声场。此时声源不是点,而是一个区域,该声场的波动特征主要依赖于定常尾迹流的速度分布产生的不稳定扰动。

各向异性柔性壁上二维T-S波演化的数值研究

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发,利用数值模拟的手段进行了各向异性柔性壁面对亚音速边界层中T-S(Tollmien-Schlichting)波空间演化的影响研究.首先,刚性壁面上的数值结果与线性理论预测的结果吻合得很好,验证了所采用的高阶精度格心型有限差分方法的可靠性.在此基础上,将部分刚性壁面替换为柔性壁面,结果表明柔性壁面能够减小甚至消除T-S波的不稳定增长区间,即抑制T-S波的发展,因而具有推迟边界层转捩的潜力.柔性壁面的变形不仅有对应T-S波波形的成分,还会因柔性段前缘引起波长更长,与T-S波频率相同的壁面波动.随后开展的参数研究表明,增大壁面阻尼削弱了前缘引起的壁面波动;增大壁面的刚度、张力以及弹性系数都会使得壁面的刚性增强,整体变形幅度下降;柔性壁面的支撑杠杆臂倾角越大,壁面刚性越强.以上参数的增大均会使得柔性壁面抑制T-S波的效果降低.此外,当流动反方向流过时,抑制T-S波的效果也会明显下降.这些研究结果旨在揭示鸟类高效飞行的部分奥秘,为被动减阻提供新的思路.

二维有限长度柔性壁面上T-S波演化的数值研究

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发,利用数值模拟的方式开展了柔性壁面对亚声速边界层中T-S波演化的影响研究。刚性壁面上的数值结果与线性理论吻合得很好,验证了数值方法的可靠性。在此基础上,将部分刚性壁面替换为柔性壁面,结果表明,柔性壁面可以抑制T-S波在空间上的增长,从而推迟边界层流动转捩。壁面的变形不只跟随T-S波的波形,还因为柔性段与刚性段相接的前缘和后缘引起与扰动源频率相同的更大尺度的壁面波动,壁面的实际变形由这几种波叠加而成。开展的参数研究结果表明,增大表面的质量密度对于柔性壁面衰减扰动的效果几乎没有影响;增大表面张力和增加底部支撑的弹性系数可以增加壁面的刚性,减小壁面变形的幅度;增加阻尼可以抑制柔性段前后缘产生的大尺度壁面波动的传播,而对跟随T-S波的变形影响不大。总体上,柔性壁面的变形程度越大,其扰动的抑制效果越强。

T-小波配点边界元法

现有T-小波边界元法都基于Galerkin法,要计算二重边界积分,比较复杂。工程中需要一种简便高效的边界元算法。基于δ-函数构造了T-小波,将其应用于边界元系数矩阵压缩,形成T-小波配点边界元法。算例表明,采用T-小波配点边界元法在保持较高精度的同时,计算时间为O(NlgN),内存消耗为O(N)。

自由来流湍流与三维壁面局部粗糙诱导平板边界层不稳定T-S波的数值研究

采用直接数值模拟(DNS)方法,研究了在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的物理问题.数值结果可知,在平板边界层内发现了二维和三维TS波组成的波包空间序列以及求得了波包向前传播的群速度大小,从而证明了自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用是激励平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的一种机制.随后,建立了平板边界层内被激发的二维和三维T-S波的初始幅值与自由来流湍流度,三维壁面局部粗糙的流向长度、展向宽度及法向高度之间的关系.这一问题的深入研究,进一步完善了流动稳定性与湍流理论.

基于T-S波理论的水流流态试验研究

T-S波理论主要是说明水流受到扰动后造成平板层流边界层内波动失稳现象导致流态发生改变的过程,流体经过固体壁面时,存在层流边界层、过渡区和紊流边界层的现象,用雷诺数对边界层水流流态进行判别。T-S扰动波失稳造成的转捩可以通过改变水流水力边界条件得到显著的抑制。所以本文将改变水力边界条件,人为引入相应振幅和波长的扰动,使下游产生T-S波,研究水力边界对水流流态、T-S波的作用。实验分析发现有孔、增大孔径和孔深,雷诺数值均减小,流态长度发生变化,缩短了紊流长度,增长了过渡区长度,即抑制了T-S波转捩发生时间。

槽道流转捩中发卡涡演化与波增长的关系

通过对槽道流常规转捩的直接数值模拟,研究了转捩突变前后,发卡涡的演化与T-S波增长的对应关系,重点对占流场绝大多数、转捩前期增长缓慢的T-S波的急速增长在发卡涡演化中所处的阶段进行了分析.研究发现,在发卡涡头部形成阶段,流场中典型的未增长起来的波一直保持着缓慢的增长趋势;当发卡涡头部产生分离时,这些波的实际增长率开始爆发式增加,并在短时间内呈数量级增长,急速增长的过程一直延续到发卡涡头部混乱之后.

平板边界层中Tollmien-Schlichting波的共振干涉

本文采用频率分析法对Tollmien Schlichting波(T.-s.波)的共振干涉现象进行实验研究。结果表明,在不稳定的层流边界层的临界层附近测得的功率谱中,T.-s.波的能量集中在一个较窄的频段,其中有一至三个峰值分别对应于中性曲线内侧的T.-s.波的特征频率和最大增长率频率。T.-s.波的共振干涉将各特征分量的能量在它们的亚谐波分量通过中性曲线下支到达最大增长率点的相应R_8范围内传给它们的亚谐频,非特征频率的分量则迅速衰减,共振干涉的多次重复,使边界层逐步湍流化。

二维超音速边界层中三波共振和二次失稳机制的数值模拟研究

通过直接数值模拟的方法,探讨在超音速边界层的转捩问题中,是否存在和不可压缩流情况相似的产生亚谐波的机制.结果表明,三波共振和二次失稳这两种机制都存在.讨论了这两种机制在层流至湍流的转捩中的重要性是否的确很大的问题.

超声速边界层三维扰动引起小激波的数值研究

通过直接数值模拟的方法,研究了M=4.5的超声速边界层中三维扰动的演化。以某一剖面为入口,加入一个及一对三维T-S波,发现随展向波数的增加,扰动幅值的增长率逐渐减小,证实了M=4.5的超声速边界层中,当三维扰动达到一定幅值时会有小激波出现,为建立可压缩流动稳定性理论提供了依据。

基于T-S波谐频共振的超燃进气道边界层转捩

针对超燃冲压发动机进气道由于激波-边界层干扰引起的边界层分离以及进气道堵塞问题,提出了一种基于Tollmien-Schlichting(T-S)波谐频共振原理的进气道边界层控制方法,并通过一种典型的二元进气道风洞试验进行了方法验证.研究结果表明,提出的转捩控制方法能够较好地消除由激波-边界层干扰而引起的边界层分离现象,进而降低边界层分离对进气道性能的不良影响,确保进气道性能.同时说明,在超燃进气道设计过程中,需要充分考虑边界层转捩问题,引入有效的边界层转捩控制方法,以保证发动机的正常工作.

自由流中涡扰动的边界层感受性的数值研究

用直接数值模拟的方法研究平板二维边界层对自由流中涡扰动的感受性· 在自由流涡扰动与壁面凸起物的相互作用下,在边界层内找到了激发出来的Tollmein_Schlichting(T_S)波,证实了感受性现象及其中波长转变机制的存在· 数值模拟得到的T_S波幅值与自由流扰动幅值、凸起高度及矩形凸起物长度的关系。

二维单一粗糙元对边界层转捩影响的实验

在风洞中对水平光滑平板以及加有粗糙元平板的边界层转捩进行了测量与研究 ,比较了不同情况下平板边界层内由振动梁激励生成的T S波沿流向和法向强度的分布规律 ,得到了相应的振型、增长曲线以及中性曲线。实验中发现与光滑平板边界层的下端开放式的拇指型中性曲线相比较 ,有粗糙元平板的中性曲线为封闭式的环形曲线 ,随着粗糙元高度的进一步增加中性曲线收缩为更小的闭合环。

超声速边界层转捩实验可控扰动的引入方法

通过数值模拟的方法,研究了在二维平板超声速边界层中,由壁面处安装的激振薄膜引入的扰动的演化过程。主要得到了如下结论:由激振薄膜引入的扰动能很快演化成标准的T-S波,但扰动的各物理量的演化为T-S波的速度并不相同,即各物理量并不同时形成T-S波,速度最先形成,而温度最晚。在相同的条件下,由不同激振形式或不同宽度的薄膜引入的扰动的演化速度基本相同。