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Numerical study on shock-dusty gas cylinder interaction

Acta Mechanica Sinica 2019年第4期35卷 740-749页

作者： Jingyue Yin juchun ding Xisheng Luo Xin Yu Beijing Institute of Applied Physics and Computational Mathematics Beijing 100094 China Advanced Propulsion Laboratory Department of Modern Mechanics University of Science and Technology of China Hefei 230026 China

The interaction of a planar shock wave with a dusty-gas cylinder is numerically studied by a compressible multi-component solver with an adaptive mesh refinement technique. The influence of non-equilibrium effect caused by the particle relaxation, which is closely related to the particle radius and shock strength, on the evolution of particle cylinder is emphasized. For a very small particle radius, the particle cloud behaves like an equilibrium gas cylinder with the same physical properties as those of the gas-particle mixture. Specifically, the transmitted shock converges continually within the cylinder and then focuses at a region near the downstream interface, producing a local high pressure zone followed by a particle jet. Also, noticeable secondary instabilities emerge along the cylinder edge and the evident particle roll-up causes relatively large width and height of the shocked cylinder. As the particle radius increases, the flow features approach those of a frozen flow of pure air, e.g., the transmitted shock propagates more quickly with a weaker strength and a smaller curvature, resulting in an increasingly-weaken shock focusing and particle jet. Also, particles would escape from the vortex core formed at late stages due to the larger inertia, inducing a greater particle dispersion. It is found that a large particle radius as well as a strong incident shock can facilitate such particle escape. The theory of Luo et al.(J. Fluid Mech., 2007) combined with the SZ circulation model ( J. Fluid Mech., 1994) can reasonably explain the high dependence of particle escape on the particle radius and shock strength.

关键词： Dusty-gas cylinder Non-equilibrium effect Shock wave Instability

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Mode coupling in converging Richtmyer-Meshkov instability of dual-mode interface

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Acta Mechanica Sinica 2020年第2期36卷 356-366页

作者： Zhangbo Zhou juchun ding Zhigang Zhai Wan Cheng Xisheng Luo Advanced Propulsion Laboratory Department of Modern MechanicsUniversity of Science and Technology of ChinaHefei 230026China Mechanical Engineering Physical Science and Engineering DivisionKing Abdullah University of Science and TechnologyThuwal 23955-6900Saudi Arabia

The converging Richtmyer-Meshkov(RM)instability on single-and dual-mode N2/SF6 interfaces is studied by an upwind conservation element and solution element solver.An unperturbed case is first considered,and it is found that the shocked interface undergoes a long-term deceleration after a period of uniform motion.The evolution of single-mode interface at the early stage exhibits an evident nonlinearity,which can be reasonably predicted by the nonlinear model of Wang et al.(Phys Plasmas 22:082702,2015).During the deceleration stage,the perturbation amplitude drops quickly and even becomes a negative(phase inversion)before the reshock due to the Rayleigh-Taylor(RT)stabilization.After the reshock,the interface experiences a phase inversion again or does not,depending on the reshock time.The growth of the second-order harmonic in the deceleration stage clearly reveals the competition between the RT effect and the nonlinearity.For dual-mode interfaces,the growth of the first mode(wavenumber k1)relies heavily on the second mode(wavenumber k2)due to the mode coupling effect.Specifically,for cases where k2 is an even or odd multiple of k1,the growth of the first mode is inhibited or promoted depending on its initial amplitude sign and the phase difference between two basic waves,while for cases where k2 is a non-integer multiple of k1,the second mode has negligible influence on the first mode.Through a systematic study,signs of perturbation amplitudes of the generated k2−k1 and k2+k1 waves are obtained for all possible dual-mode configurations,which are reasonably predicted by a modified Haan model(Phys Fluids B 3:2349-2355,1991).

关键词： Converging Richtmyer-Meshkov instability Dual-mode interface Mode coupling

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Molecular dynamics simulation of cylindrical Richtmyer-Meshkov instability

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2018年第11期61卷 61-71页

作者： Zhenhong Wu Shenghong Huang juchun ding Weirong Wang Xisheng Luo Department of Modern Mechanics University of Science and Technology of China

The microscopic-scale Richtmyer-Meshkov(RM) instability of a single-mode Cu-He interface subjected to a cylindrically converging shock is studied through the classical molecular dynamics simulation. An unperturbed interface is first considered to examine the flow features in the convergent geometry, and notable distortions at the circular inhomogeneity are observed due to the atomic fluctuation. Detailed processes of the shock propagation and interface deformation for the single-mode interface impacted by a converging shock are clearly captured. Different from the macroscopic-scale situation, the intense molecular thermal motions in the present microscale flow introduce massive small wavelength perturbations at the single-mode interface, which later significantly impede the formation of the roll-up structure. Influences of the initial conditions including the initial amplitude,wave number and density ratio on the instability growth are carefully analyzed. It is found that the late-stage instability development for interfaces with a large perturbation does not depend on its initial amplitude any more. Surprisingly, as the wave number increases from 8 to 12, the growth rate after the reshock drops gradually. The distinct behaviors induced by the amplitude and wave number increments indicate that the present microscopic RM instability cannot be simply characterized by the amplitude over wavelength ratio(η). The pressure history at the convergence center shows that the first pressure peak caused by the shock focusing is insensitive to η, while the second one depends heavily on it.

关键词：不稳定性动力学模拟分子圆柱流动特征震动影响振幅和显微镜

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Numerical study on Rayleigh-Taylor effect on cylindrically converging Richtmyer-Meshkov instability

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2019年第12期62卷 68-77页

作者： ZhiGang Zhai Fu Zhang ZhangBo Zhou juchun ding Chih-Yung Wen Department of Modern Mechanics University of Science and Technology of ChinaHefei 230026China Beijing Institute of Space Long March Vehicle Beijing 100076China Department of Mechanical Engineering The Hong Kong Polytechnic UniversityHong Kong 999077China

Evolution of a two-dimensional air/SF6 single-mode interface is numerically investigated by an upwind CE/SE method under a cylindrically converging circumstance. The Rayleigh-Taylor effect caused by the flow deceleration on the phase inversion(RTPI)is highlighted. The RTPI was firstly observed in our previous experiment, but the related mechanism remains unclear. By isolating the three-dimensional effect, it is found here that the initial amplitude(a0), the azimuthal mode number(k0) and the re-shocking moment are the three major parameters which determine the RTPI occurrence. In the variable space of(k0, a0), a critical a0 for the RTPI occurrence is solved for each k0, and there exists a threshold value of k0 below which the RTPI will not occur no matter what a0 is. There exists a special k0 corresponding to the largest critical a0, and the reduction rule of critical a0 with k0 can be well described by an exponential decay function. The results show that the occurrence of the RTPI requires a small a0 which should be less than a critical value, a large k0 which should exceed a threshold, and a right impinging moment of the re-shock which should be later than the RTPI occurrence. Finally, the effects of the incident shock strength, the density ratio and the initial position of the interface on the threshold value of k0 and on the maximum critical a0 are examined. These new findings would facilitate the understanding of the converging Richtmyer-Meshkov instability and would be helpful for designing an optimal structure of the inertia confinement fusion capsule.

关键词： converging shock wave Rayleigh-Taylor effect Richtmyer-Meshkov instability

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反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

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空气动力学学报 2022年第1期40卷 33-40页

作者：王宏辉丁举春司廷罗喜胜中国科学技术大学近代力学系合肥230026

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中,相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究,采用线约束肥皂膜技术生成较为... 详细信息

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中,相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究,采用线约束肥皂膜技术生成较为理想的空气/六氟化硫(air/SF;)单模气体界面,借助高速纹影技术捕捉激波冲击界面后的详细不稳定性演化过程,重点关注反射距离对不稳定性发展的影响(反射距离定义为初始界面和激波管尾端固壁的距离)。研究发现,在一定反射距离范围内,反射激波作用后的扰动增长率几乎为一个恒定值,与反射距离无关(即与反射激波作用前的扰动振幅及增长率无关),随着反射距离的进一步增大,扰动增长率降低。通过实验测量值与理论预测值的对比,发现Mikaelian模型和Charakhch’an模型(采用合适的经验系数)均能对反射激波作用界面后的扰动增长率给予有效预测,且这两种模型的经验系数都依赖于反射激波作用前的界面演化状态,如果反射距离的改变引起/(不引起)界面演化状态的变化,则需要/(不需要)改变经验系数的值。

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性激波单模界面反射距离高速纹影

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平面激波冲击双层重/轻界面的不稳定性研究

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Acta Mechanica Sinica 2022年第9期38卷 23-35页

作者：张一波周彰博丁举春罗喜胜 Advanced Propulsion Laboratory Department of Modern MechanicsUniversity of Science and Technology of ChinaHefei230026China

采用可压缩多组分流动高精度求解器数值研究平面激波冲击SF_(6)/Ar/He双层界面(SF_(6)/Ar界面有正弦扰动,Ar/He界面无扰动)的不稳定性问题,重点考察激波强度和界面间距对不稳定性发展的影响.结果表明,在入射激波冲击后第一道界面振幅会... 详细信息

采用可压缩多组分流动高精度求解器数值研究平面激波冲击SF_(6)/Ar/He双层界面(SF_(6)/Ar界面有正弦扰动,Ar/He界面无扰动)的不稳定性问题,重点考察激波强度和界面间距对不稳定性发展的影响.结果表明,在入射激波冲击后第一道界面振幅会逐渐减小到零(反相),随后在相反的方向上持续增长.从第二道界面上反射回来的稀疏波促进或抑制第一道界面的扰动发展,这取决于界面间距D.具体地说,如果D很小,稀疏波在到达第一道界面时界面还没有完成反相,那么会促进第一道界面的扰动发展;如果D很大,稀疏波到达时第一道界面已完成反相,那么会抑制第一道界面的扰动发展.对于任意初始条件,存在一个临界距离,在此距离下稀疏波作用第一道界面时界面刚好完成反相.本文提出了计算这一临界距离的理论模型,为调控第一道界面的扰动增长速率提供了理论支撑.第二道界面的失稳是由扰动透射激波冲击无扰动界面引起的,属于非标准Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性问题,其扰动增长速率强依赖于冲击界面时扰动激波的相位.本文发现Ishizaki模型由于忽略斜压涡量的影响,不能准确预测第二道界面上的扰动增长.综合考虑斜压涡量、速度扰动和压力扰动的影响,本文提出了一个修正的非标准RM不稳定性理论模型,可以对第二道界面的扰动发展给予有效预测.

关键词： Richtmyer-Meshkov instability Dual interfaces Rarefaction wave Rippled shock

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层流流动控制技术及应用

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航空学报 2011年第5期32卷 765-784页

作者：朱自强吴宗成丁举春北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

民机受到的摩阻占其总阻力很大比例,减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义。层流摩阻远小于湍流摩阻,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动是减阻的一个重要途径。为此,形成了包括自然层流流动、全层流流动和混合层流流动3种层... 详细信息

民机受到的摩阻占其总阻力很大比例,减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义。层流摩阻远小于湍流摩阻,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动是减阻的一个重要途径。为此,形成了包括自然层流流动、全层流流动和混合层流流动3种层流流动控制技术。本文从减阻分析,对3种层流流动控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益,层流流动控制技术的设计方法,层流流动飞机的维护(包括防昆虫和冰粒等污染的措施)等方面作了较为系统的阐述。概要介绍了国外1930—2000年间层流流动控制技术的研究简况,并选择X-21A飞机缝道吸气飞行试验、JetstarHLFC前缘系统模拟航线飞行的飞行试验、以及Boeing 757HLFC飞行试验等重要项目为例阐述了层流流动控制技术的发展状况,指出了今后进一步研究的方向。

关键词：层流流动控制自然层流流动全层流流动控制混合层流流动控制设计方法飞行试验

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反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

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力学学报 2021年第5期53卷 1246-1256,I0001页

作者：崔竹轩丁举春司廷中国科学技术大学近代力学系合肥230027

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产... 详细信息

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量,影响涡量的输运和分布,从而影响界面的演化.本文采用自主开发的HOWD(high-order WENO and double-flux methods)程序,研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N_(2)气柱(气柱外为SF_(6))的演化过程,并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律.在数值模拟中,选取了不同的反射距离(定义为气柱和反射边界的距离),得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像,提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据,重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势.研究表明,反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态,从而影响斜压涡量的生成和分布,进而改变气柱的不稳定性演化过程.对于三维气柱,不同高度截面上的斜压涡量分布不同,从而诱导出复杂的三维演化结构.

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性反射激波气柱数值计算

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重/轻单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第10期50卷 48-56页

作者：马迪丁举春罗喜胜中国科学技术大学近代力学系合肥230026

本文采用实验与数值相结合的方法研究平面激波冲击重/轻单模界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性问题,着重分析重/轻型界面和轻/重型界面演化的差异.实验上,利用先进的肥皂膜界面生成方法,生成初始形状可控的SF6/air单模界面,并基于高... 详细信息

本文采用实验与数值相结合的方法研究平面激波冲击重/轻单模界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性问题,着重分析重/轻型界面和轻/重型界面演化的差异.实验上,利用先进的肥皂膜界面生成方法,生成初始形状可控的SF6/air单模界面,并基于高速纹影技术捕捉界面和波系的详细演化过程.数值上,采用可压缩多组分流动高精度数值模拟程序对实验工况进行模拟,数值模拟结果和实验结果吻合良好,详细的数值流场信息促进了我们对实验中界面分层现象的分析和理解.研究发现,与轻/重界面演化不同的是,重/轻界面在激波冲击后首先进入反相阶段;与轻/重界面演化类似的是,反相后的重/轻界面依次经历线性和非线性发展.最后,本文利用实验获得的定量数据检验已有线性和非线性模型对重/轻RM不稳定性的预测能力,发现Meyer&Blewett模型(Phys.Fluids,1972,15:753–759)能有效预测重/轻界面的线性期扰动增长,而Dimonte&Ramaprabhu模型(Phys.Fluids,2010,22:014104)能有效预测非线性期的扰动增长.

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性反相界面分层

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汇聚Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究进展

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科学通报 2018年第7期63卷 618-628页

作者：丁举春翟志刚司廷罗喜胜中国科学技术大学近代力学系合肥230026

Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性是流体力学的重要研究内容,无论在学术研究还是工程应用领域都有着重要的研究价值.近些年,学者们围绕平面激波诱导的RM不稳定性开展了大量实验、数值和理论研究,发现界面上的初始扰动在激波冲击之后依次... 详细信息

Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性是流体力学的重要研究内容,无论在学术研究还是工程应用领域都有着重要的研究价值.近些年,学者们围绕平面激波诱导的RM不稳定性开展了大量实验、数值和理论研究,发现界面上的初始扰动在激波冲击之后依次经历线性增长、非线性增长和湍流混合3个发展阶段,压力扰动和斜压涡量是导致扰动发展的主要物理机制.然而,关于汇聚激波诱导的界面失稳现象却少有研究,汇聚空间中扰动发展的规律以及汇聚效应对扰动发展的影响尚不清楚.汇聚RM不稳定性研究要求在实验室条件下生成稳定的汇聚激波和形状可控的流体界面,对现有的实验方法提出了极大的挑战.本文简要回顾了近些年在两种不同结构的汇聚激波管设备中开展的汇聚RM不稳定性实验研究,重点讨论了几种典型汇聚效应对扰动发展的影响,并根据目前研究的局限性提出今后实验研究的3个重要方向:高马赫数激波诱导的界面失稳实验、三维界面的演化、扰动激波与无扰动或有扰动界面的相互作用.

关键词： RM不稳定性激波界面汇聚效应斜压涡量

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