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激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

李冬冬 王革 张斌

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

李冬冬, 王革, 张斌
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  • 在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.
      通信作者: 王革, wangge@hrbeu.edu.cn
    [1]

    Richtmyer R D 1960 Commun. Pure Appl. Math. 13 297

    [2]

    Meshkov E E 1969 Fluid Dyn. 4 101

    [3]

    Lindl J D, Mccrory R L, Campbell E M 1992 Phys. Today 45 32

    [4]

    Lindl J D, Amendt P, Berger R L 2004 Phys. Plasmas 11 339

    [5]

    Yang J, Kubota T, Zukoski E E 1993 AIAA J. 31 854

    [6]

    Arnett W D, Bahcall J N, Kirshner R P, Woosley S E 1989 Annu. Rev. Astron. Astrophys. 27 629

    [7]

    Haas J F, Sturtevant B 1987 J. Fluid Mech. 181 41

    [8]

    Jacobs J W 1992 J. Fluid Mech. 234 629

    [9]

    Giordano J, Burtschell Y 2006 Phys. Fluids 18 036102

    [10]

    Ranjan D, Niederhaus J H J, Oakley J G, Anderson M H, Greenough J A, Bonazza R 2008 Phys. Scripta 132 014020

    [11]

    Tomkins C, Kumar S, Orlicz G, Prestridge K 2008 J. Fluid Mech. 611 131

    [12]

    Shankar S K, Kawai S, Lele S K 2011 Phys. Fluids 23 024102

    [13]

    Sha S, Chen Z H, Xue D W 2013 Acta Phys. Sin. 62 144701 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 薛大文 2013 物理学报 62 144701]

    [14]

    Sha S, Chen Z H, Zhang Q B 2015 Acta Phys. Sin. 64 015201 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 张庆兵 2015 物理学报 64 015201]

    [15]

    Sha S, Chen Z H, Xue D W, Zhang H 2014 Acta Phys. Sin. 63 085205 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 薛大文, 张辉 2014 物理学报 63 085205]

    [16]

    Bai J S, Zou L Y, Wang T, Liu K, Huang W B, Liu J H, Li P, Tang D W, Liu C L 2010 Phys. Rev. E 82 056318

    [17]

    Liao S F, Zou L Y, Huang X L, Liu J H, Zhang K, Wang Y P 2016 Sci. Sin.: Phys. Mech. Astron. 46 034702 (in Chinese) [廖深飞, 邹立勇, 黄熙龙, 刘金宏, 张珂, 王彦平 2016 中国科学: 物理学 力学 天文学 46 034702]

    [18]

    Zhai Z G, Si T, Zou L Y, Luo X S 2013 Acta Mech. Sin. 29 24

    [19]

    Zhai Z G, Dong P, Luo X S 2017 Chin. J. High Pressure Phys. 31 718 (in Chinese) [翟志刚, 董平, 罗喜胜 2017 高压物理学报 31 718]

    [20]

    Fan M R, Zhai Z G, Si T, Luo X S, Zou L Y, Tan D W 2012 Sci. China: Phys. Mech. Astron. 55 284

    [21]

    Wang M, Si T, Luo X 2015 Shock Waves 25 347

    [22]

    Huang X L, Liao S F, Zou L Y, Liu J H, Cao R Y 2017 Explo. Shock Wave 37 829 (in Chinese) [黄熙龙, 廖深飞, 邹立勇, 刘金宏, 曹仁义 2017 爆炸与冲击 37 829]

    [23]

    Abgrall R, Karni S 2001 J. Comput. Phys. 169 594

    [24]

    Ern A, Giovangigli V 1994 Multicomponent Transport Algorithms (Heidelberg: Springer-Verlag) pp329-389

    [25]

    Kee R J, Coltrin M E, Glarborg P 2003 Chemically Reacting Flow Theory and Practice (Hoboken: John Wiley Sons) pp487-530

    [26]

    Svehla R A 1962 Estimated Viscosities and Thermal Conductivities of Gases at High Temperatures (NASA Technical Report R-132) pp20-24

    [27]

    Spiteri R J, Ruuth S J 2003 Siam J. Numer. Anal. 40 469

    [28]

    Verwer J G, Sommeijer B P, Hundsdorfer W 2004 J. Comput. Phys. 201 61

    [29]

    Houim R W, Kuo K K 2011 J. Comput. Phys. 230 8527

    [30]

    Quirk J J, Karni S 1996 J. Fluid Mech. 318 129

    [31]

    Bagabir A, Drikakis D 2001 Shock Waves 11 209

    [32]

    Zhai Z G, Wang M H, Si T, Luo X S 2014 J. Fluid Mech. 757 800

  • [1]

    Richtmyer R D 1960 Commun. Pure Appl. Math. 13 297

    [2]

    Meshkov E E 1969 Fluid Dyn. 4 101

    [3]

    Lindl J D, Mccrory R L, Campbell E M 1992 Phys. Today 45 32

    [4]

    Lindl J D, Amendt P, Berger R L 2004 Phys. Plasmas 11 339

    [5]

    Yang J, Kubota T, Zukoski E E 1993 AIAA J. 31 854

    [6]

    Arnett W D, Bahcall J N, Kirshner R P, Woosley S E 1989 Annu. Rev. Astron. Astrophys. 27 629

    [7]

    Haas J F, Sturtevant B 1987 J. Fluid Mech. 181 41

    [8]

    Jacobs J W 1992 J. Fluid Mech. 234 629

    [9]

    Giordano J, Burtschell Y 2006 Phys. Fluids 18 036102

    [10]

    Ranjan D, Niederhaus J H J, Oakley J G, Anderson M H, Greenough J A, Bonazza R 2008 Phys. Scripta 132 014020

    [11]

    Tomkins C, Kumar S, Orlicz G, Prestridge K 2008 J. Fluid Mech. 611 131

    [12]

    Shankar S K, Kawai S, Lele S K 2011 Phys. Fluids 23 024102

    [13]

    Sha S, Chen Z H, Xue D W 2013 Acta Phys. Sin. 62 144701 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 薛大文 2013 物理学报 62 144701]

    [14]

    Sha S, Chen Z H, Zhang Q B 2015 Acta Phys. Sin. 64 015201 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 张庆兵 2015 物理学报 64 015201]

    [15]

    Sha S, Chen Z H, Xue D W, Zhang H 2014 Acta Phys. Sin. 63 085205 (in Chinese) [沙莎, 陈志华, 薛大文, 张辉 2014 物理学报 63 085205]

    [16]

    Bai J S, Zou L Y, Wang T, Liu K, Huang W B, Liu J H, Li P, Tang D W, Liu C L 2010 Phys. Rev. E 82 056318

    [17]

    Liao S F, Zou L Y, Huang X L, Liu J H, Zhang K, Wang Y P 2016 Sci. Sin.: Phys. Mech. Astron. 46 034702 (in Chinese) [廖深飞, 邹立勇, 黄熙龙, 刘金宏, 张珂, 王彦平 2016 中国科学: 物理学 力学 天文学 46 034702]

    [18]

    Zhai Z G, Si T, Zou L Y, Luo X S 2013 Acta Mech. Sin. 29 24

    [19]

    Zhai Z G, Dong P, Luo X S 2017 Chin. J. High Pressure Phys. 31 718 (in Chinese) [翟志刚, 董平, 罗喜胜 2017 高压物理学报 31 718]

    [20]

    Fan M R, Zhai Z G, Si T, Luo X S, Zou L Y, Tan D W 2012 Sci. China: Phys. Mech. Astron. 55 284

    [21]

    Wang M, Si T, Luo X 2015 Shock Waves 25 347

    [22]

    Huang X L, Liao S F, Zou L Y, Liu J H, Cao R Y 2017 Explo. Shock Wave 37 829 (in Chinese) [黄熙龙, 廖深飞, 邹立勇, 刘金宏, 曹仁义 2017 爆炸与冲击 37 829]

    [23]

    Abgrall R, Karni S 2001 J. Comput. Phys. 169 594

    [24]

    Ern A, Giovangigli V 1994 Multicomponent Transport Algorithms (Heidelberg: Springer-Verlag) pp329-389

    [25]

    Kee R J, Coltrin M E, Glarborg P 2003 Chemically Reacting Flow Theory and Practice (Hoboken: John Wiley Sons) pp487-530

    [26]

    Svehla R A 1962 Estimated Viscosities and Thermal Conductivities of Gases at High Temperatures (NASA Technical Report R-132) pp20-24

    [27]

    Spiteri R J, Ruuth S J 2003 Siam J. Numer. Anal. 40 469

    [28]

    Verwer J G, Sommeijer B P, Hundsdorfer W 2004 J. Comput. Phys. 201 61

    [29]

    Houim R W, Kuo K K 2011 J. Comput. Phys. 230 8527

    [30]

    Quirk J J, Karni S 1996 J. Fluid Mech. 318 129

    [31]

    Bagabir A, Drikakis D 2001 Shock Waves 11 209

    [32]

    Zhai Z G, Wang M H, Si T, Luo X S 2014 J. Fluid Mech. 757 800

  • [1] 沙莎, 陈志华, 张庆兵. 激波与SF6球形气泡相互作用的数值研究. 物理学报, 2015, 64(1): 015201. doi: 10.7498/aps.64.015201
    [2] 陶烨晟, 王立锋, 叶文华, 张广财, 张建成, 李英骏. 任意Atwood数Rayleigh-Taylor和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性气泡速度研究. 物理学报, 2012, 61(7): 075207. doi: 10.7498/aps.61.075207
    [3] 沙莎, 陈志华, 薛大文, 张辉. 激波与SF6梯形气柱相互作用的数值模拟. 物理学报, 2014, 63(8): 085205. doi: 10.7498/aps.63.085205
    [4] 霍新贺, 王立锋, 陶烨晟, 李英骏. 非理想流体中Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性气泡速度研究 . 物理学报, 2013, 62(14): 144705. doi: 10.7498/aps.62.144705
    [5] 董国丹, 郭则庆, 秦建华, 张焕好, 姜孝海, 陈志华, 沙莎. 不同磁场构型下Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解. 物理学报, 2019, 68(16): 165201. doi: 10.7498/aps.68.20190410
    [6] 李俊涛, 孙宇涛, 胡晓棉, 任玉新. 激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响. 物理学报, 2017, 66(23): 235201. doi: 10.7498/aps.66.235201
    [7] 沙莎, 陈志华, 薛大文. 激波冲击R22重气柱所导致的射流与混合研究 . 物理学报, 2013, 62(14): 144701. doi: 10.7498/aps.62.144701
    [8] 陈大伟, 王裴, 蔚喜军, 孙海权, 马东军. 稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律. 物理学报, 2016, 65(9): 094702. doi: 10.7498/aps.65.094702
    [9] 李俊涛, 孙宇涛, 潘建华, 任玉新. 冲击加载下V形界面的失稳与湍流混合. 物理学报, 2016, 65(24): 245202. doi: 10.7498/aps.65.245202
    [10] 董国丹, 张焕好, 林震亚, 秦建华, 陈志华, 郭则庆, 沙莎. 磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究. 物理学报, 2018, 67(20): 204701. doi: 10.7498/aps.67.20181127
    [11] 王裴, 孙海权, 邵建立, 秦承森, 李欣竹. 微喷颗粒与气体混合过程的数值模拟研究. 物理学报, 2012, 61(23): 234703. doi: 10.7498/aps.61.234703
    [12] 高红利, 陈友川, 赵永志, 郑津洋. 薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究. 物理学报, 2011, 60(12): 124501. doi: 10.7498/aps.60.124501
    [13] 税敏, 于明海, 储根柏, 席涛, 范伟, 赵永强, 辛建婷, 何卫华, 谷渝秋. 激光加载下金属锡材料微喷颗粒与低密度泡沫混合实验研究. 物理学报, 2019, 68(7): 076201. doi: 10.7498/aps.68.20182280
    [14] 赵永志, 刘延雷, 郑津洋, 张宪旗. 滚筒内非等粒径二元颗粒体系增混机理研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8386-8393. doi: 10.7498/aps.58.8386
    [15] 范征锋, 叶文华, 孙彦乾, 郑炳松, 李英骏, 王立锋. 二维可压缩流体Kelvin-Helmholtz不稳定性. 物理学报, 2009, 58(9): 6381-6386. doi: 10.7498/aps.58.6381
    [16] 叶文华, 王立锋, 李英骏. 二维不可压缩流体Kelvin-Helmholtz不稳定性的二次谐波产生. 物理学报, 2008, 57(5): 3038-3043. doi: 10.7498/aps.57.3038
    [17] 袁都奇. 弱相互作用费米气体的不稳定性判据. 物理学报, 2006, 55(8): 3912-3915. doi: 10.7498/aps.55.3912
    [18] 甘才俊, 李烺, 马汉东, 熊红亮. 可压缩混合层流场光学效应分析与实验研究. 物理学报, 2013, 62(18): 184701. doi: 10.7498/aps.62.184701
    [19] 甘才俊, 李烺, 马汉东, 熊红亮. 可压缩混合层光学传输效应理论分析与实验研究. 物理学报, 2014, 63(5): 054703. doi: 10.7498/aps.63.054703
    [20] 石秉仁. 可压缩理想等离子体柱的稳定性. 物理学报, 1964, 112(8): 785-795. doi: 10.7498/aps.20.785
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-03
  • 修回日期:  2018-05-28
  • 刊出日期:  2018-09-20

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

  • 1. 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院, 哈尔滨 150001;
  • 2. 上海交通大学航空航天学院, 上海 201100
  • 通信作者: 王革, wangge@hrbeu.edu.cn

摘要: 在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.

English Abstract

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