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颗粒密度与半径影响下的多相RMI混合区域宽度极限理论模型及其规律探究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第10期54卷 56-67页

作者：司英明孟宝清王春田保林陈潜中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京101408 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

颗粒参数对多相Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)混合区宽度演化具有显著影响,但影响规律尚待探究.本文基于界面运动方程,综合颗粒体积分数、半径和气体黏度参数影响,提出无量纲数Sd,表征曳力对流体速度弛豫过程的影响.基于小扰动理论建... 详细信息

颗粒参数对多相Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)混合区宽度演化具有显著影响,但影响规律尚待探究.本文基于界面运动方程,综合颗粒体积分数、半径和气体黏度参数影响,提出无量纲数Sd,表征曳力对流体速度弛豫过程的影响.基于小扰动理论建立了极限颗粒参数下混合区宽度的增长模型,分析表明颗粒密度与半径组合决定混合区宽度增长形态,在颗粒密度较大时呈指数增长,在半径较大或二者都较大时呈线性增长.进一步分析揭示了颗粒参数变化对混合区域宽度的影响规律,发现增大颗粒半径会促进混合区域宽度增长.数值模拟结果验证了理论模型及Sd数有效性,结果表明经典的Stokes数(St)在预测混合区宽度增长时存在失效情况,St数和Sd数的组合是多相RMI演化的主控无量纲数.

关键词：多相Richtmyer-Meshkov不稳定性颗粒参数混合区域宽度理论模型影响规律

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可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

空气动力学学报 2021年第1期39卷 177-190页

作者：何志伟田保林李理李海锋张又升孟宝清北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介... 详细信息

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。

关键词：可压缩多介质流动问题非守恒项高精度格式界面压缩区域分解

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平板-半无限长圆柱气动力特性研究

平板-半无限长圆柱气动力特性研究

北京力学会第二十三届学术年会

作者：孟宝清韩桂来姜宗林中国科学院力学研究所

详细摘要:高超声速飞行器舵翼与机身的相互作用显著改变了单独部件机身及舵翼的流场结构。典型的研究有Dolling等人应用实验方法研究了钝翼所引起的三维激波-边界层相互作用,关注了流场结构、压力分布以及油流实验所得到的表面流线分布...

详细摘要:高超声速飞行器舵翼与机身的相互作用显著改变了单独部件机身及舵翼的流场结构。典型的研究有Dolling等人应用实验方法研究了钝翼所引起的三维激波-边界层相互作用,关注了流场结构、压力分布以及油流实验所得到的表面流线分布。此外,飞行器表面也可能安装各种几何外形的凸起物,凸起物所引起的激波与当地边界层相互作用,形成复杂的干扰流场。干扰区内激波、涡等结构呈现复杂的三维特性。该类问题的典型简化模型为平板-柱模型。针对该模型,

关键词：

JF-12激波风洞喷管起动冲击载荷模型研究

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JF-12激波风洞喷管起动冲击载荷模型研究

北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会

作者：孟宝清韩桂来姜宗林中国科学院力学研究所

激波风洞起动过程气动力冲击载荷引起测力系统的振动,真实气动力信号受振动信号干扰。对振动干扰信号进行剥离首先需要明确起动过程冲击载荷模型。本文通过数值计算对JF-12激波风洞φ1.5m喷管起动过程进行模拟,得到尖锥模型上气动力加... 详细信息

激波风洞起动过程气动力冲击载荷引起测力系统的振动,真实气动力信号受振动信号干扰。对振动干扰信号进行剥离首先需要明确起动过程冲击载荷模型。本文通过数值计算对JF-12激波风洞φ1.5m喷管起动过程进行模拟,得到尖锥模型上气动力加载过程,并分析了加载历程走势原因。

关键词：激波风洞冲击载荷振动干扰

可压缩跨流态气固多相流数值模拟方法CMP-PIC

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可压缩跨流态气固多相流数值模拟方法CMP-PIC

第十一届全国流体力学学术会议

作者：田保林孟宝清曾军胜陈潜 Xiaohu Guo 薛琨北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

包含固体颗粒的可压缩多相流常见于诸多工程应用和自然现象中。目前稀疏颗粒两相流和稠密颗粒两相流都已有较为成熟的模拟方法,但是对于稀疏到稠密颗粒过渡的跨流态多相流问题仍缺乏有效的数值模拟方法,尤其是可压缩跨流态多相流问题。...

包含固体颗粒的可压缩多相流常见于诸多工程应用和自然现象中。目前稀疏颗粒两相流和稠密颗粒两相流都已有较为成熟的模拟方法,但是对于稀疏到稠密颗粒过渡的跨流态多相流问题仍缺乏有效的数值模拟方法,尤其是可压缩跨流态多相流问题。本文在不可压MP-PIC方法的基础上发展了一种新的多可压缩多相流模拟方法,即CMP-PIC,它能够模拟从稀薄到稠密颗粒各种流态的可压缩多相流问题。类比传统的可压缩双流体两相流模型(B-N模型),我们考虑气固双向耦合相互作用得到了CMP-PIC多相流计算模型。对于气相连续流体的模拟,CMP-PIC方法采用可以模拟多种气体组分的5方程模型进行计算;对于离散相固体颗粒采用基于拉格朗日追踪的PIC方法进行计算;颗粒间相互作用采用粗粒化离散元法(DEM)进行计算,可以避免传统颗粒应力模型带来的颗粒非物理聚集问题,能够更好地描述稠密颗粒的相互作用。对于气相方程数值离散我们发展了改进的HLL/HLLC求解器用于求解包含气体体积分数的了连续相方程,同时采用高阶插值算子计算两相流的双向耦合效应。总之,CMP-PIC方法综合了传统可压缩双流体模型、PIC方法和DEM方法的优点,能够模拟从传统方法难以计算的可压缩跨流态多相流问题。基于CMP-PIC方法研制的多相流并行程序可实现上千万颗粒的高效并行计算,一系列相关两相流实验的模拟结果验证了方法的可靠性。

关键词：

颗粒稠密的Richtmyer-Meshkov不稳定性线性段增长建模研究与分析

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颗粒稠密的Richtmyer-Meshkov不稳定性线性段增长建模研究与分析

第十九届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会

作者：孟宝清曾军胜田保林李理何志伟周蕊北京应用物理与计算数学研究所北京大学工学院

多相流Richtmyer-Meshkov不稳定性（RMI）在超行星爆发,惯性约束核聚变及超燃冲压发动机等领域中起到极为重要的作用。在含颗粒的气固两相流动中,颗粒的存在极大的影响了界面失稳行为。流动衍化过程中,颗粒相的形态可能是稀疏分散的,也...

多相流Richtmyer-Meshkov不稳定性（RMI）在超行星爆发,惯性约束核聚变及超燃冲压发动机等领域中起到极为重要的作用。在含颗粒的气固两相流动中,颗粒的存在极大的影响了界面失稳行为。流动衍化过程中,颗粒相的形态可能是稀疏分散的,也可能是接近稠密堆积的形态。现有研究中,含颗粒的RMI问题主要集中于颗粒稀疏情形,对于含稠密颗粒的RMI的扰动增长建模理论尚未发现有公开的研究。本研究中关注了颗粒稠密条件下的RMI问题,应用线性稳定性理论对扰动线性增长开展建模研究,应用可压缩Multiphase Particle-in-cell （CMP-PIC）数值模拟方法对该模型的正确性予以验证。理论建模工作基于可压缩气固两相流动控制方程,得到颗粒稠密的多相流Atwood等效解。进一步的分析表明该Atwood数理论解可退化为颗粒稀疏的Atwood数理论解以及纯气相的Atwood数理论解。颗粒稠密的Atwood数理论解普适于气固RMI问题。基于经典脉冲模型,本研究中进一步给出了线性扰动增长模型。数值模拟工作基于CMP-PIC方法展开,给出颗粒体积分数不同情况下的气固RMI扰动增长结果,数值与理论结果吻合良好,如图1以及表I所示。

关键词：

颗粒稠密Richtmyer–Meshkov不稳定性线性增长率理论建模与验证

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颗粒稠密Richtmyer–Meshkov不稳定性线性增长率理论建模与验证

中国力学大会（CCTAM2019）

作者：孟宝清曾军胜田保林李理何志伟 Xiaohu Guo 北京应用物理与计算数学研究所北京大学工学院

多相流Richtmyer–Meshkov不稳定性(RMI)在超行星爆发、惯性约束核聚变等过程中扮演着重要角色。在流动衍化过程中,颗粒相形态可能是稀疏分散或接近稠密堆积的形态。已有研究主要集中于颗粒稀疏的情形,目前公开文献中尚未发现颗粒稠密... 详细信息

多相流Richtmyer–Meshkov不稳定性(RMI)在超行星爆发、惯性约束核聚变等过程中扮演着重要角色。在流动衍化过程中,颗粒相形态可能是稀疏分散或接近稠密堆积的形态。已有研究主要集中于颗粒稀疏的情形,目前公开文献中尚未发现颗粒稠密条件下的增长率理论模型方面的研究。本文针对颗粒稠密的气固两相体系,基于线性稳定性理论提出了一个新的Atwood数模型。该模型由相间动量耦合参数、两相体积分数比值、两相密度所表征。进一步的研究表明,在无颗粒相以及颗粒稀疏条件下该Atwood数模型退化为经典的Richtmyer’s以及颗粒稀疏Atwood数模型。此外,基于可压缩multiphaseparticle-in-cell(MP-PIC)方法开展了相应的数值模拟,增长率数值模拟结果与理论模型预测结果吻合良好。

关键词： Richtmyer–Meshkov不稳定性气固多相流线性扰动增长理论建模 MP-PIC

Aerodynamic measurement of a large aircraft model in hypersonic flow

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Chinese Physics B 2017年第11期26卷 310-315页

作者：孟宝清韩桂来张德良姜宗林 State Key Laboratory of High-temperature Gas Dynamics Institute of Mechanics Chinese Academy of Sciences University of Chinese Academy of Sciences

Accurate aerodynamic measurements in the hypersonic flow of large aircraft models in tunnels have practical significance, but pose a significant challenge. Novel aerodynamic force measurement methods have been proposed,but lack theoretical support. The forms of the force signals techniques for signal processing and calculation of aerodynamics are especially problematic. A theoretical study is conducted to investigate the dynamic properties based on models of the draw-rod system and slender rods. The results indicate that the inertia item can be neglected in the rod governing equation;further, the solutions show that the signals of each rod are a combination of aerodynamic signals（with a constant value） and sine signals, which can be verified by experimental shock tunnel results. Signal processing and aerodynamics calculation techniques are also found to be achievable via the flat part of the signals.

关键词： hypersonic aerodynamic measurement theoretical study vibration

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超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

气体物理 2018年第6期3卷 41-50页

作者：邓放韩桂来孟宝清丁珏翁培奋韩鹏姜宗林上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国人民解放军75837部队广东广州510000

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口(message ... 详细信息

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口(message passing interface, MPI)非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.

关键词：超声速两步后台阶射流剪切层数值模拟