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火星感应磁层边界不稳定性研究:k-h波及其产生的磁通量绳

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地球物理学报 2024年第9期67卷 3301-3310页

作者：吴放葛亚松黄灿王磊杜爱民中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院深地资源装备技术工程实验室北京100029 中国科学院地球科学研究院北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

火星感应磁层边界的等离子体不稳定性,如边界层处速度剪切激发的kelvin-helmholtz(k-h)不稳定性,对火星感应磁层结构和磁层离子输运过程具有重要的影响.本文利用Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN(MAVEN)卫星搭载的Magnetometer(M... 详细信息

火星感应磁层边界的等离子体不稳定性,如边界层处速度剪切激发的kelvin-helmholtz(k-h)不稳定性,对火星感应磁层结构和磁层离子输运过程具有重要的影响.本文利用Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN(MAVEN)卫星搭载的Magnetometer(MAG)和Super Thermal and Thermal Ion Composition(STATIC)仪器所提供的磁场和等离子数据,分析了2018年5月21日火星感应磁层边界处观测到的k-h不稳定性事件,发现在磁场、重离子通量、离子成分与密度、和离子速度上存在五个连续的准周期变化,估算k-h波的周期为~100 s,同时在其中两个k-h涡旋内发现了磁通量绳结构.磁通量绳的轴向方向与边界层法向准垂直,且其中的离子成分与涡旋内电离层等离子体成分接近,表明此处的磁通量绳有可能是在k-h波的发展过程中形成.磁通量绳的整体速度也远大于此处的离子逃逸速度,这可能导致重离子O^(+)和O_(2)^(+)从火星大气中快速逃逸.

关键词： k-h不稳定性磁通量绳大气逃逸

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剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空学报 2021年第7期42卷 141-151页

作者：邓甜李佳周陈伟中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体(工质为水)在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方... 详细信息

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体(工质为水)在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,kelvin-helmholtz(k-h)不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。

关键词：二维剪切气流液体横向射流色散方程 R-T不稳定性 k-h不稳定性

平板液相横流中气体射流的多尺度旋涡结构分析

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北京理工大学学报 2023年第9期43卷 942-949页

作者：黄彪黄润航吕亚飞刘涛涛郝亮北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120

为了研究平板液相横流中气体射流形态非稳态演化及流场中旋涡结构的多尺度演化过程,基于两步投影法和VOF界面捕捉方法,结合高分辨率网格策略,建立了平板液相横流中气体射流的高精度数值模拟方法.研究结果表明:平板液相横流中气体射流的... 详细信息

为了研究平板液相横流中气体射流形态非稳态演化及流场中旋涡结构的多尺度演化过程,基于两步投影法和VOF界面捕捉方法,结合高分辨率网格策略,建立了平板液相横流中气体射流的高精度数值模拟方法.研究结果表明:平板液相横流中气体射流的演化过程可以分为射流气泡初步形成、射流气液界面失稳和射流气泡充分发展3个典型阶段.在kelvin-helmholtz不稳定性的诱导下,气液界面发生形变并逐渐失稳产生破碎,导致射流形态由大尺度连续气泡逐渐转变为小尺度离散气泡.平板液相横流中气体射流的涡系结构主要包括射流内部和气液界面的反旋转涡对、近壁面和射流界面的剪切层涡以及通气孔前缘的马蹄涡.各种旋涡结构在流场不同发展阶段扮演不同的作用,并相互作用导致了射流气泡演变过程的复杂多尺度流动.

关键词：数值模拟射流气泡 k-h不稳定性旋涡结构多尺度流动

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黏性液体横向射流破碎机理

航空学报 2022年第3期43卷 155-166页

作者：邓甜李佳周陈伟中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000

航空发动机中液体燃料雾化过程十分复杂,特别是雾化初始阶段,至今无法建立准确的雾化模型。本文利用线性不稳定性分析法研究均匀气场和二维剪切气场中,不同黏性液体横向射流破碎过程。在圆柱坐标系下,建立有黏液体横向射流色散方程,利用... 详细信息

航空发动机中液体燃料雾化过程十分复杂,特别是雾化初始阶段,至今无法建立准确的雾化模型。本文利用线性不稳定性分析法研究均匀气场和二维剪切气场中,不同黏性液体横向射流破碎过程。在圆柱坐标系下,建立有黏液体横向射流色散方程,利用Muller法求解得到射流表面表面波的不稳定增长率随波数的变化情况。当来流为均匀气流时,考虑液体黏性影响,射流表面扰动波增长率的减小量与增长率的比值较不考虑黏性时的至少增大1000倍。黏性对kelvin-helmholtz(k-h)和Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性均起到削弱作用,抑制了射流破碎,且表面波波数越多,黏性对破碎的抑制作用越强,但并不影响射流的不稳定波数范围。当黏性系数增大500倍时,表面波最大增长率降低80.37%,最佳波数减小40%,黏性力对表面波的抑制作用十分明显。横向来流为二维剪切气流时,横向气动力和剪切速度促进液体射流表面波生成进而产生破碎,而液体的表面张力和黏性力则会抑制表面波生成。液气动能比越大,气流剪切作用对射流不稳定性的影响越大,k-h不稳定性主导射流表面波的生成。进一步研究液体黏性对射流不稳定性的抑制作用,发现黏性对k-h不稳定性增长率的抑制作用较R-T不稳定性大,前者不稳定性增长率的削减可达82.7%,而后者削减量为49.1%。

关键词：液体横向射流黏性色散方程 R-T不稳定性 k-h不稳定性二维剪切气流

弯道植被水流中Monami现象及湍流特性试验研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第5期38卷 755-765页

作者：黄天炜林颖典浙江大学海洋学院杭州310058

自然河流中生长的水生植物是生态系统的重要组成部分,植物的形态变化会影响水流的流动特性及污染物的输运。该文利用U型折叠弯道水槽进行试验,设置半侧分布的柔性植被,分析在弯道水流下不同流量及柔性植被配置对Monami现象的影响。试验... 详细信息

自然河流中生长的水生植物是生态系统的重要组成部分,植物的形态变化会影响水流的流动特性及污染物的输运。该文利用U型折叠弯道水槽进行试验,设置半侧分布的柔性植被,分析在弯道水流下不同流量及柔性植被配置对Monami现象的影响。试验结果表明:不同流量下的柔性植被形态存在差异,进而影响流速分布,当流量较大时,弯道中会出现Monami现象。在不同流量下,植被形态在弯道入口处呈现Monami现象、倾斜倒伏或直立;而在弯道后半程呈现Monami现象或无组织性轻微摆动。通过功率谱频率分析的高相关性证明Monami现象由k-h涡的不稳定性产生,且在弯道中,Monami频率减小。植被叶片的摆动使得湍流应力更深入植被冠层,而Monami现象的出现降低了植被冠层边界动量传输效率。此外,弯道会扩大植被冠层内扫掠主导区域的影响范围,改变无植被区的湍流活动类型。

关键词：柔性植被弯道水流 Monami现象流速分布 k-h不稳定性

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分离再附流动的实验研究

力学进展 1999年第1期29卷 87-96页

作者：董宇飞魏中磊北京大学湍流国家重点实验室北京100871 中科院力学所北京100080

综述了二维前后向台阶，T型结构以及轴对称纯体等典型几何结构的分离再附流动的实验研究．介绍了不同模型分离再附流场特性以及它们之间的异同．详细论述了流动各参数对流场的影响，并简要分析了分离再附流动中存在的问题和发展方向．

关键词：分离再附流动剪切层 k-h不稳定性流场

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气液螺旋环状流界面波失稳机理

中国科学院大学学报（中英文） 2017年第2期34卷 153-159页

作者：刘莉白博峰西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

为揭示气液螺旋环状流界面波失稳机理,基于经典的kelvin-helmholtz不稳定性理论,利用双流体模型,建立螺旋涡流作用下界面波的动力学模型。通过求解界面波色散方程,给出界面失稳的准则并进行理论验证。研究表明,界面波的增长特性决定于... 详细信息

为揭示气液螺旋环状流界面波失稳机理,基于经典的kelvin-helmholtz不稳定性理论,利用双流体模型,建立螺旋涡流作用下界面波的动力学模型。通过求解界面波色散方程,给出界面失稳的准则并进行理论验证。研究表明,界面波的增长特性决定于气动力、离心力和表面张力的相互作用。其中,不同气液动压相对大小条件下,离心力对界面波稳定性存在三重影响。基于此准则条件,系统分析气流速度、旋流强度及管径对界面波增长特性的影响规律。

关键词：螺旋环状流界面波 k-h不稳定性稳定准则

kelvin-helmholtz不稳定性大变形发展阶段的数值模拟

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复旦学报（自然科学版） 2000年第5期39卷 533-540页

作者：张慧生丁志杰复旦大学力学与工程科学系上海200433

给出数值模拟kelvin helmholtz不稳定性发展的离散涡方法及线化发展方程组的通解 ,并从线化问题解的初始条件出发 ,对Atwood数α、Froude数F及Bond数的倒数 β值的各种不同组合下的kelvin helmholtz不稳定性的大变形发展进行了数值模拟 ... 详细信息

给出数值模拟kelvin helmholtz不稳定性发展的离散涡方法及线化发展方程组的通解 ,并从线化问题解的初始条件出发 ,对Atwood数α、Froude数F及Bond数的倒数 β值的各种不同组合下的kelvin helmholtz不稳定性的大变形发展进行了数值模拟 ,发现了界面大变形特性对这 3个参数依赖关系的一些规律 .采用随界面变形增大逐一增加计算点的办法 ,使界面大变形数值模拟的工作量进一步大大减小 .

关键词：大变形数值模拟 k-h不稳定性流体界面

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涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性

地球物理学报 1990年第1期33卷 1-11页

作者：刘振兴濮祖荫中国科学院空间科学与应用研究中心北豪大学地球物理系

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;kelvin—helmholtz(k-h)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流... 详细信息

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;kelvin—helmholtz(k-h)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MhD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.

关键词：涡旋诱发重联 k-h不稳定性撕裂模不稳定性磁流体涡旋管磁场重联空间物理学