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奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象

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力学与实践 2014年第6期36卷 802-805页

作者：杨绍琼姜楠天津大学力学系天津300072

开尔文-亥姆霍兹不稳定性是两种流体作平行于水平界面的相对运动时的流动稳定性问题之一.文章从自然现象"波浪云"谈起,介绍了开尔文-亥姆霍兹不稳定性的理论定义、该不稳定性现象形成发展的过程及其流动可视化;并简单阐述了实验室和自... 详细信息

开尔文-亥姆霍兹不稳定性是两种流体作平行于水平界面的相对运动时的流动稳定性问题之一.文章从自然现象"波浪云"谈起,介绍了开尔文-亥姆霍兹不稳定性的理论定义、该不稳定性现象形成发展的过程及其流动可视化;并简单阐述了实验室和自然界中其他"类开尔文-亥姆霍兹不稳定"现象,重点介绍了梵高名画《星月夜》和笔者在从事沟槽壁面湍流场可视化实验中观察到的一种展向"类开尔文-亥姆霍兹涡棍"结构,指出它们的形成及发展演化是沟槽湍流减阻达到最优之后,减阻效应趋弱直至增阻的原因.

关键词：波浪云开尔文-亥姆霍兹不稳定性类开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象类开尔文-亥姆霍兹涡棍

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开尔文-亥姆霍兹不稳定性的介观模拟

开尔文-亥姆霍兹不稳定性的介观模拟

中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大...

作者：林传栋清华大学燃烧能源中心

作为一种基本的流体现象,开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用之中。深入研究KH不稳定性具有重要的科学意义和应用价值。近些年来发展起来的离散玻尔兹曼方法(DBM)能够有效刻画流体不稳定性的动态演化过程。本文首... 详细信息

作为一种基本的流体现象,开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用之中。深入研究KH不稳定性具有重要的科学意义和应用价值。近些年来发展起来的离散玻尔兹曼方法(DBM)能够有效刻画流体不稳定性的动态演化过程。本文首先简介一种新型的双组分DBM的基本形式以及其研究系统非平衡效应的重要功能,然后基于该物理模型模拟在KH不稳定性作用下的非平衡流动现象。本文充分说明:作为一种重要的介观物理模型,DBM不仅具备宏观流体模型描述连续流体动态演化的基本能力,同时具有详细刻画在KH不稳定性现象中出现的多尺度结构和非平衡行为的功能。

关键词：非平衡流体开尔文-亥姆霍兹不稳定性离散玻尔兹曼模型格子玻尔兹曼方法

来源： cnki会议评论

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基于大涡模拟的圆柱绕流剪切层不稳定性

上海交通大学学报 2021年第8期55卷 924-933页

作者：郭志远虞培祥欧阳华上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学燃气轮机与民用航空发动机教育部工程研究中心上海200240

圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000,3900,5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不... 详细信息

圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000,3900,5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不稳定性的深入研究.为获得剪切层不稳定性的特征频率,分别采用传统的监测点分析与局部流场的动态模态分解方法进行计算.结果显示,两种方法得到的频率基本一致.不过,相比传统方法,动态模态分解方法一方面能克服人为选择监测点带来的随机误差,较便捷地给出剪切层不稳定性特征频率,另一方面还能进一步通过不同流场模态分析出不同Re对剪切层不稳定性特性的影响.

关键词：圆柱绕流开尔文-亥姆霍兹不稳定性大涡模拟动态模态分解

黏性各向异性磁流体Kelvin-Helmholtz不稳定性:二维数值研究

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物理学报 2019年第3期68卷 187-194页

作者：刘迎陈志华郑纯南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094

利用corner transport upwind和constrained transport算法求解非理想磁流体动力学方程组,对匀强平行磁场作用下,黏性各向异性等离子体自由剪切层中的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了数值模拟.从流动结构、涡结构演化、磁场分布、横向... 详细信息

利用corner transport upwind和constrained transport算法求解非理想磁流体动力学方程组,对匀强平行磁场作用下,黏性各向异性等离子体自由剪切层中的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了数值模拟.从流动结构、涡结构演化、磁场分布、横向磁压力、抗弯磁张力等角度对各向同性和各向异性黏性算例结果进行了讨论,分析了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.结果表明,黏性各向异性比黏性各向同性更利于流动的稳定.其稳定性作用是由于磁感线方向上剪切速率降低导致界面卷起程度和圈数的降低,并使卷起结构中小涡产生增殖、合并,破坏了涡的常规增长,从而导致流动的稳定.黏性各向异性对横向磁压力的影响比对抗弯磁张力更大.

关键词：磁流体动力学开尔文-亥姆霍兹不稳定性黏性各向异性涡

黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响

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西北师范大学学报（自然科学版） 2022年第1期58卷 51-57页

作者：杨阳曹玉脉王向丽王佳琪西北师范大学物理与电子工程学院甘肃兰州730070

基于磁流体力学方程组,采用计算机数值模拟,研究了等离子体中黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.分别从密度和磁场分布、涡流结构演化、熵的空间分布和能量转化的角度讨论了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,... 详细信息

基于磁流体力学方程组,采用计算机数值模拟,研究了等离子体中黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.分别从密度和磁场分布、涡流结构演化、熵的空间分布和能量转化的角度讨论了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,并且与黏性各项同性的结果进行对比.数值模拟结果表明,在Kelvin-Helmholtz不稳定性演化过程中,黏性各向同性和各向异性等离子体剪切界面密度越低的位置,涡量越大,熵值也越大.相比黏性各向同性,黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性有抑制作用.

关键词：磁流体开尔文-亥姆霍兹不稳定性黏性各向异性

不同Lundquist数下湍动重联的二维MHD数值模拟

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不同Lundquist数下湍动重联的二维MHD数值模拟

作者：孙皓旻中国科学技术大学

学位级别：硕士

磁场重联是一种非常普遍的基本等离子体物理过程。许多实验室、空间和天体物理等离子体中的爆发现象都与它有关,例如托卡马克中的不稳定性增长、磁层亚暴、太阳耀斑爆发等。磁流体力学(Magnetohydrodynamics,MHD)模型是描述磁场重联常... 详细信息

磁场重联是一种非常普遍的基本等离子体物理过程。许多实验室、空间和天体物理等离子体中的爆发现象都与它有关,例如托卡马克中的不稳定性增长、磁层亚暴、太阳耀斑爆发等。磁流体力学(Magnetohydrodynamics,MHD)模型是描述磁场重联常用的模型。空间中的磁场重联经常发生在高度湍动的环境中,了解湍动环境中磁场重联的性质尤为重要。因此,采用对于MHD模型进行数值模拟的方式开展磁场重联的研究就成为了一个重要课题。在这项工作中,我们使用高分辨率二维MHD模拟,研究了湍动重联的物理机制以及湍动在提高重联率中的作用。在模拟中,湍动以不同的强度从外部注入系统。我们发现,湍动至少可以通过两种机制来提高重联率。首先,外部驱动的湍动自身就有助于系统将磁能转化为从重联下游区排出的等离子体动能,从而提高重联率。其次,高Lundquist数情况下,湍动有助于等离子体磁岛的形成,从而加速重联。湍动的存在对能量转换有很大影响。当湍动强度较小的时候,磁场能量主要通过欧姆耗散的方式转换为等离子体动能。当湍动强度较大的时候,磁场能量则主要通过安培力做功耗散的方式转换为等离子体动能。同时,湍动还可以对磁场重联过程中伴随的开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,K-H)不稳定性产生影响,较大的湍动强度有利于磁场的下游区域形成有利于K-H不稳定性发展的位型。最后,我们讨论了在湍动重联中的湍动的性质。我们发现二维的湍动和三维的湍动存在着明显的不同。这一不同主要表现在平行与垂直能谱的谱指数关系上。

关键词：磁场重联湍动磁岛能量转换开尔文-亥姆霍兹不稳定性谱指数关系

纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示

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力学学报 2015年第3期47卷 529-533页

作者：杨绍琼崔宏昭姜楠诺丁汉大学工程学院天津大学机械工程学院力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072

纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s^+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s^+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于... 详细信息

纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s^+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s^+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于"开尔文-亥姆霍兹"不稳定性而产生的一种"类开尔文-亥姆霍兹"展向涡结构.实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种"类开尔文-亥姆霍兹"展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.

关键词：湍流边界层开尔文-亥姆霍兹不稳定性 “类开尔文-亥姆霍兹”涡沟槽流动显示

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橡胶复合靶板抗射流侵彻的理论和实验研究

爆炸与冲击 2012年第4期32卷 376-383页

作者：祖旭东黄正祥贾鑫南京理工大学智能弹药国防重点学科实验室江苏南京210094

根据射流侵彻橡胶复合靶板后射流变形情况,将橡胶复合靶板抗射流侵彻过程分为4个阶段。基于应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹不稳定性对橡胶复合靶板抗射流侵彻过程进行了理论分析,得到射流失稳时射流的速度区间及橡胶复合靶板对射流的... 详细信息

根据射流侵彻橡胶复合靶板后射流变形情况,将橡胶复合靶板抗射流侵彻过程分为4个阶段。基于应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹不稳定性对橡胶复合靶板抗射流侵彻过程进行了理论分析,得到射流失稳时射流的速度区间及橡胶复合靶板对射流的干扰频率,并分析了射流侵彻橡胶复合靶板后的剩余侵彻能力。分析了橡胶夹层厚度变化和橡胶复合靶板倾角对橡胶复合靶板抗射流干扰的影响,得到最佳橡胶夹层厚度和倾角,并通过实验对理论结果进行了验证。结果表明,开尔文-亥姆霍兹不稳定性能很好地分析橡胶复合靶板对射流的干扰作用。橡胶复合靶板在倾角为60°、橡胶夹层厚度为3～3.5 mm时具有最佳防护性能。

关键词：流体力学干扰能力开尔文-亥姆霍兹不稳定性橡胶复合板射流防护性能

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土星千米波辐射源及磁层内磁力线弯曲

地球物理学报 2007年第3期50卷 672-677页

作者：王翼陈出新中国科学院基础等离子体物理重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

本文提出一个模型，通过此模型得到土星千米波辐射源（Saturn’s Kilometrlc Radiation Source）的分布．这个模型就是：磁层顶的开尔文一亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtz Instability）会导致阿尔芬波沿着弯曲的磁力线传播到土星... 详细信息

本文提出一个模型，通过此模型得到土星千米波辐射源（Saturn’s Kilometrlc Radiation Source）的分布．这个模型就是：磁层顶的开尔文一亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtz Instability）会导致阿尔芬波沿着弯曲的磁力线传播到土星极区附近，并在这个过程中使土星电离层附近（1Ra高度，Ra为土星半径）的粒子加速沉降，发生回旋不稳定性（Cyclotron MaserInstability），进而产生R—x模式辐射的非寻常波（Extraordinarywave）．我们认为，极区发生回旋不稳定性的区域就是土星千米波辐射源的区域．本文求出了磁层顶附近开尔文一亥姆霍兹不稳定性发生在土星本地时（Saturn’s Local Time）11 LT以前，得出了阿尔芬波沿磁力线传播到土星需要约38．3min，求解出向阳面磁力线弯曲了约80°，最后得出土星千米波辐射源分布从黎明段的7～9LT延伸到傍晚段的18LT，并且黎明段分布的纬度比傍晚段低．

关键词：土星千米波开尔文-亥姆霍兹不稳定性阿尔芬波磁力线弯曲辐射源分布