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高温气体效应下流动转捩及超声速模态的线性演化

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空气动力学学报 2024年第4期42卷 75-83,I0002页

作者：赵洲源陈贤亮王亮符松清华大学航天航空学院北京100084

对转捩的精确预测已成为飞行器气动设计的关键环节,然而转捩问题相当复杂并对诸多因素敏感。在超高速高温流动中,转捩和高温气体效应深度耦合,特别是在激波、壁面附近和分离区等速度梯度很大的区域,热化学过程对流动转捩的影响不容忽视... 详细信息

对转捩的精确预测已成为飞行器气动设计的关键环节,然而转捩问题相当复杂并对诸多因素敏感。在超高速高温流动中,转捩和高温气体效应深度耦合,特别是在激波、壁面附近和分离区等速度梯度很大的区域,热化学过程对流动转捩的影响不容忽视。在自然转捩过程中,不同的扰动形式在流场中的发展各不相同,进而对转捩进程造成的影响也不同。同时,超高速边界层内存在多种模态,其中第二模态下游区域出现的不稳定的超声速模态值得关注和研究。本文通过求解线性抛物化稳定性方程(LPSE)研究了高温气体效应下流动转捩及超声速模态的演化发展。结果表明:与量热完全气体流动相比,考虑热化学过程的流动使得温度边界层更薄,类似“冷壁”的作用,进而使得扰动的超声速模态更容易出现;分子振动平衡使得流动的温度边界层进一步变薄,即使在较高的壁温条件下,扰动的超声速模态依然存在;同时,低频扰动下的超声速模态更不稳定,流动易出现转捩。此外,马赫数20、半顶角6°的尖楔绕流算例中,“冷壁”和低频扰动下的超声速模态在特定扰动波角下会出现新的变化。

关键词：高温气体效应转捩扰动频率扰动波角超声速模态流动稳定性

Ma=6空气流中涂层材料的激光破坏特性及其流动干扰

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气体物理 2024年第1期9卷 70-80页

作者：林键刘丽丽卢洪波文帅李海燕陆宏志符松中国航天空气动力技术研究院清华大学航天航空学院中国航天科技创新研究院中国运载火箭技术研究院

面向激光的应用新场景，搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台，开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究，给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破... 详细信息

面向激光的应用新场景，搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台，开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究，给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破坏特性以及材料损伤产生的干扰流动结构。与静止空气中激光辐照材料烧蚀现象相比，在高超声速空气流作用时，涂层材料受激光辐射产生的破坏特征明显不同，激光功率较小时涂层材料呈现出更大的破坏面积，激光功率较大时涂层材料形成更深的烧蚀坑。受材料烧蚀扰动，流场经过激光辐照产生烧蚀结构时形成了类似于热射流或小突起物的绕流流动结构。这又反向影响材料的烧蚀，导致激光光斑辐照区域的上下游及横侧向产生与静态烧蚀明显不同的特征。这些新特征对于工程应用具有重要指导作用。

关键词：高超声速切向气流激光烧蚀涂层材料风洞试验

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湍流减阻中的沟槽面顶部尖锐度研究

Acta Mechanica Sinica 2022年第4期38卷 39-55,I0001页

作者：王义乾黄懿符松 School of Mathematical Sciences Soochow UniversitySuzhou 215006China School of Aerospace Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China

一般而言,在利用沟槽面进行湍流减阻中,其项部越尖锐,湍流减阻效果往往越好.但尖锐的顶部不利于沟槽面的制造生产,并且容易受到顶部磨损的影响.本研究发现对于所提出的由两个三次多项式函数光渭连接构成的曲面沟槽,尽管其顶部不如具有... 详细信息

一般而言,在利用沟槽面进行湍流减阻中,其项部越尖锐,湍流减阻效果往往越好.但尖锐的顶部不利于沟槽面的制造生产,并且容易受到顶部磨损的影响.本研究发现对于所提出的由两个三次多项式函数光渭连接构成的曲面沟槽,尽管其顶部不如具有同样高宽比的三角形沟槽尖锐,但其突出高度却大于三角形沟槽,进而有更高的预估减阻率.同时,该曲面沟槽对于顶部磨损相对不敏感,井且在所:考虑的磨损后.其性能优于相应的抛物线型沟槽.利用这类曲面沟槽.我们发现了两种决定突出高度的作用机制.一是在粘性极限的谷曲率,另一个是在沟槽无限深极限的顶部曲率,而相关研究中用到沟槽的突出高度都是由这两种机制共同决定.针对该曲面沟槽,利用直接数值模拟技术对宽度为s^(+)=20和s^(+)=60时的边界层转捩问题进行了数值仿真,发现与无控制下流动相比,s^(+)=20算例不仅在湍流段有与预估相符的7.8%减阻率,并且使转捩得到了推迟,而s=60算例在湍流段有增阻效果,并且使转捩提前发生.通过对比两个算例中沟槽面的阻力分布以及瞬时流场结构,发现两者高阻力区城和低阻力区域面积基本相同,并且在沟槽顶部反而是减阻算例的阻力系数大,而在沟槽底部减阻算例的阻力系数要远远小于增阻算例,即增阻效果主要来源于沟槽底部的低阻力区.以上研究表明,沟槽顶部过于尖锐而导致的难以加工、易受磨损等问题。可以通过合理的设计沟槽形状得到缓和。

关键词： Riblet Turbulent drag reduction Tip sharpness Protrusion height Direct numerical simulation

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高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展

力学学报 2022年第11期54卷 2937-2957页

作者：陈贤亮符松清华大学航天航空学院北京100084

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题.随着飞行速域与空域的不断拓展,高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效,从而深刻影响流动转捩过程.相关研究涉及多个学科,是典型的多... 详细信息

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题.随着飞行速域与空域的不断拓展,高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效,从而深刻影响流动转捩过程.相关研究涉及多个学科,是典型的多物理场耦合问题.近年来,随着相关飞行器技术的快速发展,高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现,相关研究已成为国际上的热点领域.本文综述相关研究进展,首先介绍目前常用的高温气体物理模型,尤其关注热化学非平衡模型,并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法,以及相关风洞和飞行试验技术的进展.然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究,其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣.最后进行总结,并对未来发展略作展望.

关键词：高超声速流动边界层转捩高温气体效应热化学非平衡

近数据计算下键值存储中Compaction并行优化方法

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计算机研究与发展 2022年第3期59卷 597-616页

作者：孙辉娄本冬黄建忠赵雨虹符松安徽大学计算机科学与技术学院合肥230601 华中科技大学武汉光电国家研究中心武汉430074 中国科学院信息工程研究所北京100093 北德克萨斯大学计算机科学与工程系美国德克萨斯州登顿76203

大规模非结构化数据的爆炸式增长给传统关系型数据库带来了极大的挑战.基于日志结构合并树(log-structured merge tree,LSM-tree)的键值存储系统已被广泛应用,并起到重要的作用,原因在于基于LSM-tree的键值存储能够将随机写转化为顺序写... 详细信息

大规模非结构化数据的爆炸式增长给传统关系型数据库带来了极大的挑战.基于日志结构合并树(log-structured merge tree,LSM-tree)的键值存储系统已被广泛应用,并起到重要的作用,原因在于基于LSM-tree的键值存储能够将随机写转化为顺序写,从而提升性能.然而,LSM-tree键值存储也存在一些性能问题.一方面,键值存储利用compaction操作更新数据,保持系统平衡,但造成严重的写放大问题.另一方面,以传统计算为中心的架构下,compaction操作带来大量的数据传输,影响了系统性能.以数据为中心的近数据计算模型(near-data processing,NDP)为基础,利用该模型下主机端与近数据计算使能设备端的并行资源,提出基于系统并行与流水线并行的compaction优化方法(collaborative parallel compaction optimization for LSM-tree key-value stores,CoPro).当处理compaction操作时,CoPro主机端与NDP设备端协同执行compaction卸载任务.此外,进一步提出基于决策组件的CoPro+,根据系统资源变化以及负载键值对中值大小的变化来动态调整并行度,使NDP架构中计算资源的使用更加高效.在搭建的硬件平台上验证了CoPro的有效性.

关键词：日志归并树键值存储近数据计算任务卸载数据-流水线并行

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三维分区算法在复杂多连域湍流问题中的应用

计算力学学报 2002年第1期19卷 20-25页

作者：符松翟志强清华大学工程力学系北京100084

提出并实现了一种适合于任意曲线坐标系下非交错网格系统的流体力学数值模拟的三维分区算法 ,通过三维立方块绕流问题对其进行了考证和优化工作 ,证明有良好、稳定的工作性能。在此基础上 ,将该算法有效地应用到了具有典型多连域特征的... 详细信息

提出并实现了一种适合于任意曲线坐标系下非交错网格系统的流体力学数值模拟的三维分区算法 ,通过三维立方块绕流问题对其进行了考证和优化工作 ,证明有良好、稳定的工作性能。在此基础上 ,将该算法有效地应用到了具有典型多连域特征的涉及内外流耦合作用的串列双空气冷却塔定常绕流流动问题。

关键词：数值模拟分区算法多连域空冷塔绕流流体力学湍流

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钝体绕流空化的数值研究

工程力学 2009年第12期26卷 46-51页

作者：张露颖符松清华大学航天航空学院北京100084

空化问题的数值模拟涉及空化现象数理模型的建立以及空化机理的探索。该文对Singhal完全空化模型进行改进,从统计上描述微观气核的力学行为以得到空化流场宏观物理量的分布,在求解完整的Rayleigh-Plesset方程的基础上构造空化源项,以考... 详细信息

空化问题的数值模拟涉及空化现象数理模型的建立以及空化机理的探索。该文对Singhal完全空化模型进行改进,从统计上描述微观气核的力学行为以得到空化流场宏观物理量的分布,在求解完整的Rayleigh-Plesset方程的基础上构造空化源项,以考虑空化气核发展的历史效应和非定常特性,效果很好。该文应用改进模型,采用两相流的方法对钝体绕流过程中的空化现象进行了数值模拟,验证了模型的有效性,同时计算了钝体出水过程空泡溃灭引起的压力场变化,捕捉到空泡溃灭导致的瞬时压力脉冲。

关键词：空化模型气泡动力学 Rayleigh-Plesset方程空泡溃灭界面捕捉

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曲率对机翼边界层二次失稳影响

力学学报 2010年第6期42卷 995-1005页

作者：徐国亮符松清华大学航天航空学院北京100084

采用非线性抛物化扰动方程(NPSE)计算了层流机翼NLF0415(2)在几个工况下横流涡的非线性发展,应用Floquet理论分析了横流涡的二次失稳.较系统地分析了后掠机翼在多种参数下表面曲率对其流动稳定性的影响.Haynes证明曲率对于横流在线性稳... 详细信息

采用非线性抛物化扰动方程(NPSE)计算了层流机翼NLF0415(2)在几个工况下横流涡的非线性发展,应用Floquet理论分析了横流涡的二次失稳.较系统地分析了后掠机翼在多种参数下表面曲率对其流动稳定性的影响.Haynes证明曲率对于横流在线性稳定性计算(LST)和非线性抛物化扰动方程计算中(NPSE)都起着非常明显的稳定作用;然而,该文计算结果表明,曲率在二次失稳计算中影响不大.

关键词：非线性横流涡二次失稳曲率

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可压缩自由混合层中的输运平衡

清华大学学报（自然科学版） 2002年第8期42卷 1087-1090页

作者：李启兵符松清华大学工程力学系北京100084

为研究可压缩混合层中的输运特性 ,该文采用气动BGK格式模拟了超音速来流条件下的二维平面可压缩混合层的空间发展 ,给出了湍能、雷诺应力和动量输运方程中各项的分布情况。各平衡方程中粘性耗散项和粘性扩散项都很小。湍能主要是通过... 详细信息

为研究可压缩混合层中的输运特性 ,该文采用气动BGK格式模拟了超音速来流条件下的二维平面可压缩混合层的空间发展 ,给出了湍能、雷诺应力和动量输运方程中各项的分布情况。各平衡方程中粘性耗散项和粘性扩散项都很小。湍能主要是通过对流、湍流扩散和压力扩散进行输运 ;切应力输运方程中主要是生成项与压力扩散项和压力 -应变关联项的平衡 ;雷诺应力 (1,1)分量输运方程中以生成项和压力 -应变关联项为主 ;雷诺应力 (2 ,2 )分量输运方程中主要是压力 -应变关联项与湍流扩散项和压力扩散项之间的平衡。

关键词： BGK格式可压缩混合层输运方程的平衡