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非定常汇聚激波反射与折射研究进展

中国科学：物理学、力学、天文学 2018年第9期48卷 172-189页

作者：翟志刚王何司廷罗喜胜杨基明韩肇元中国科学技术大学近代力学系合肥230027

非定常激波反射及折射由于其重要的科学及工程意义,成为了近年来激波反射及折射研究领域的热点.平面激波在曲面上的非定常反射现象近些年得到了较多的研究,在这个过程中激波强度不变,入射角随着曲面曲率的变化而不断改变,从而出现波系... 详细信息

非定常激波反射及折射由于其重要的科学及工程意义,成为了近年来激波反射及折射研究领域的热点.平面激波在曲面上的非定常反射现象近些年得到了较多的研究,在这个过程中激波强度不变,入射角随着曲面曲率的变化而不断改变,从而出现波系转变现象.当一道曲面激波在固壁上反射时,激波强度以及入射角均不断发生改变,从而有可能对波系现象有较大的影响.但实验室条件下生成具有特定变化规律的曲面激波一直是一个难题.翟志刚等人通过激波动力学理论提出并实现了将平面激波光滑转变为柱形汇聚激波的方法.在设计的水平汇聚激波管中开展了非定常汇聚激波反射及折射研究.本文介绍了本实验室近几年在非定常汇聚激波反射与折射方面的研究进展,重点关注了持续变化的入射角以及流场的非定常性对波系转变的影响,并提出了未来的研究方向.

关键词：柱形汇聚激波非定常流场激波反射激波折射

可控肥皂膜气柱界面与激波相互作用的实验研究（英文）

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实验流体力学 2014年第2期28卷 7-13,26页

作者：罗喜胜王显圣陈模军翟志刚中国科学技术大学近代力学系先进推进实验室合肥230027

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也... 详细信息

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也比文献的结果更对称。此外,还特别研究了由极小曲面特征导致的三维效应,发现三维效应使界面的演变和发展变慢了。本研究将有助于更多了解三维性对Richtmyer-Meshkov不稳定性发展的影响。

关键词：肥皂膜 Richtmyer-Meshkov不稳定性极小曲面激波-气柱相互作用

激波在air/SF_6气体界面上非定常折射的数值研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2017年第12期47卷 70-78页

作者：郭文娟翟志刚丁举春罗喜胜中国科学技术大学近代力学系先进推进实验室合肥230027

本文数值研究了平面激波在air/SF_6凹形(凸形)界面上的非定常折射,着重关注入射角变化带来的波系结构变化.数值程序利用有限差分法离散可压缩多组分欧拉方程,采用双通量算法成功克服了物质界面附近由于比热比不同导致的数值振荡问题,并... 详细信息

本文数值研究了平面激波在air/SF_6凹形(凸形)界面上的非定常折射,着重关注入射角变化带来的波系结构变化.数值程序利用有限差分法离散可压缩多组分欧拉方程,采用双通量算法成功克服了物质界面附近由于比热比不同导致的数值振荡问题,并将该算法与高阶WENO以及三阶Runge-Kutta耦合,使得程序具有较高的时空分辨率.结果表明,相比于准定常折射,平面激波在凹形(凸形)界面上传播时由于入射角的连续变化会出现波系结构的转变现象.随着入射角由大变小,平面激波在凹形界面上依次出现了前曲折射、规则反射折射以及过渡规则折射.相比准定常折射,没有出现Mach反射折射,但出现新的折射波系——过渡规则折射,由流场的迟滞效应导致.随着入射角由小变大,平面激波在凸形界面上依次出现规则反射折射以及Mach反射折射.相比准定常折射,没有出现前曲折射,但Mach折射出现的角度区域推迟且范围变大.研究表明,流场的非定常性对激波折射波系具有重要影响.

关键词：非定常激波折射凹界面凸界面数值模拟

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反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

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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二维高超声速进气道内激波-边界层相互作用

中国科学技术大学学报 2011年第12期41卷 1084-1089页

作者：黄舶李祝飞贾立超杨基明罗喜胜中国科学技术大学近代力学系激波实验室安徽合肥230027

在多级压缩二维高超声速进气道中,激波边界层相互作用在前后两级压缩面交界的折角处会诱发壁面流动的分离,导致分离泡的产生.压缩面折角位置产生的激波与唇口处边界层相互作用,同样会诱发明显的壁面流动分离.这些分离现象均存在较为明... 详细信息

在多级压缩二维高超声速进气道中,激波边界层相互作用在前后两级压缩面交界的折角处会诱发壁面流动的分离,导致分离泡的产生.压缩面折角位置产生的激波与唇口处边界层相互作用,同样会诱发明显的壁面流动分离.这些分离现象均存在较为明显的动态特征和空间结构上的不稳定性,对进气道内流场及起动性能存在一定的影响.这里主要利用改进的高速纹影系统对二维二级压缩进气道内的流动结构进行观测及分析,揭示了分离流动的细节结构以及演化过程.在此基础上,采用改变壁面粗糙度以促进边界层转捩、壁面添加扰流器促进边界层内掺混流动等措施改变边界层流动状况,观察边界层控制对分离流动的影响,并取得了初步的结果.

关键词：高超声速进气道激波-边界层相互作用流动分离流动控制

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大温差气固相互作用模型的分子动力学研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2022年第2期52卷 76-86页

作者：吴晓妍王子敬秦丰华罗喜胜中国科学技术大学近代力学系先进推进实验室合肥230026

气固相互作用是许多物理问题的基础,描述气体分子反射速度分布的散射核模型在宏、微观流动研究中都有重要的应用.经典散射核模型大都依赖于待定的调节参数,且仅适用于气固温度相同或相近的情形.本文针对不同温度气体分子在固定温度壁面... 详细信息

气固相互作用是许多物理问题的基础,描述气体分子反射速度分布的散射核模型在宏、微观流动研究中都有重要的应用.经典散射核模型大都依赖于待定的调节参数,且仅适用于气固温度相同或相近的情形.本文针对不同温度气体分子在固定温度壁面上的相互作用问题,利用分子动力学(MD)方法直接模拟气体分子的散射过程,获得气体分子反射速度与入射状态的对应关系,进而应用机器学习方法,以Cercignani-Lampis-Lord模型为基础,从直接模拟数据中重建出更精确的、考虑气固温度差影响的修正散射核模型,分析气体分子散射特性及模型参数随气固温度比的变化规律.结果表明,在所讨论温度范围内,与MD模拟结果相比较,修正散射核模型能准确重现反射速度与同方向入射速度的概率密度分布;气固温度差异对散射核的影响体现在特征温度调整为气体温度、调节系数随入射速度及气固温度比变化等两个方面.随着气固温度比变大,气体分子入射速度对散射特征的影响增强,当温度比超过2.5时切向反射速度分布不再受温度影响,而法向速度持续缓慢变化.

关键词：气固相互作用散射核分子动力学机器学习

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激波的传播与干扰

力学进展 2016年第1期46卷 541-587页

作者：杨基明李祝飞朱雨建翟志刚罗喜胜陆夕云中国科学技术大学近代力学系合肥230027

激波的传播特性既取决于激波的产生条件,也与所处的传播环境密切相关.驱动条件、几何边界、介质的物理化学属性等发生变化时,都会引起激波传播特性的改变,而激波的变化反过来又会对其波及的流场产生影响.尽管激波传播及其干扰现象广泛... 详细信息

激波的传播特性既取决于激波的产生条件,也与所处的传播环境密切相关.驱动条件、几何边界、介质的物理化学属性等发生变化时,都会引起激波传播特性的改变,而激波的变化反过来又会对其波及的流场产生影响.尽管激波传播及其干扰现象广泛存在于自然界和人类科技活动之中,其复杂机理的认识、规律的描述乃至应用潜力的挖掘仍有漫长的路要走.本文根据气体中激波传播和干扰现象以及与之相关的理论描述特征,在对激波传播以及反射、折射等基本现象进行简要阐述的基础上,重点围绕目前的热点问题,包括激波/激波干扰、激波/边界层干扰、激波与湍流作用、激波的聚焦与点火以及激波作用下气体界面不稳定性等研究进行了介绍和讨论,旨在对近年来该领域的进展及获得的成果做一个概述和归纳,期望对将来的深入研究有一个鉴借意义.

关键词：激波传播激波反射激波/边界层相互作用激波/界面相互作用激波极线

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平面激波冲击柱形气体界面的实验研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2015年第2期45卷 53-59页

作者：陈模军王显圣翟志刚司廷罗喜胜中国科学技术大学近代力学系先进推进实验室合肥230026

采用高速纹影法实验研究了马赫数为1.2的平面激波冲击下柱形气体界面的演变发展过程.采用环约束的方法,利用肥皂膜技术形成了柱形界面.在单次实验中得到了平面激波与柱形界面作用的全过程,观测了波系发展以及气体界面的演化.结果表明,... 详细信息

采用高速纹影法实验研究了马赫数为1.2的平面激波冲击下柱形气体界面的演变发展过程.采用环约束的方法,利用肥皂膜技术形成了柱形界面.在单次实验中得到了平面激波与柱形界面作用的全过程,观测了波系发展以及气体界面的演化.结果表明,在激波冲击下SF6气柱下游界面会产生射流结构并最终发展成蘑菇形状;而氦气气柱受到激波冲击后会出现反相,上游界面发展出射流结构并穿透下游界面,最终界面发展成两个独立的涡结构.通过测量比较界面尺寸的变化,可以较清楚地了解界面变形的物理规律.最后将SF6气柱实验中获得的激波和气体界面的速度与一维气体动力学预测结果进行比较,吻合较好,从而验证了环约束方法在Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究中形成气体界面的可行性.

关键词：平面激波柱形气体界面环约束方法 Richtmyer—Meshkov不稳定性高速纹影

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

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爆炸与冲击 2024年第2期44卷 99-115页

作者：张洲铭李贤朱雨建李祝飞龚红明罗喜胜中国科学技术大学近代力学系安徽合肥230027 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室四川绵阳621000 中国科学院力学研究所北京100190

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机... 详细信息

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明:对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 kPa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。

关键词：激波风洞高压真实气体效应立方型气体状态方程准一维数值模拟有效试验时间

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