欠膨胀超声速射流不稳定性机理的数值研究

应用NND有限差分格式求解轴对称可压缩N-S方程,研究了不同驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性.计算结果表明欠膨胀超声速射流的失稳机制根据射流激波结构的特征可分为3种失稳模式:具有规则反射激波结构和单一剪切层特征的射流不稳定性;带有马赫反射激波结构和双剪切层特征的射流不稳定性;具有弯曲马赫杆和高度欠膨胀射流的不稳定性.对于欠膨胀超声速射流,沿射流方向重复出现拟周期性的射流激波结构是射流稳定发展的特征,这种射流激波结构的消失是射流开始失稳的标志.     

基于模态分解的轴对称超声速射流啸声产生位置数值分析

不完全膨胀超声速射流的势核中会产生准周期的激波栅格结构, 其与剪切层内拟序结构的相互作用会产生激波噪声. 啸声是主要向上游方向传播的、具有离散频率的高强度激波噪声, 其产生是受一种非线性的声反馈环机制驱动. 精确定位啸声的声源位置是定量理解啸声反馈环机制和发展准确的啸声预测模型的一个关键所在. 为了分析近场啸声, 本文采用高精度数值方法直接求解轴对称可压缩Navier-Stokes方程, 数值模拟了完全膨胀射流马赫数为1.10和1.15的圆形声速喷管欠膨胀超声速冷射流, 得到了A₁和A₂两种轴对称模态啸声. 通过傅里叶模态分解、本征模态分解和动态模态分解, 分析了射流时序压力场和速度场, 研究了啸声关联拟序流动结构的空间演化, 精确定位了轴对称模态啸声的声源位置. 研究表明: 啸声关联拟序流动结构存在饱和态区域, 啸声声波是在其饱和态区域产生并向外传播; 在本文所涉及的射流马赫数范围内, A₁和A₂两种轴对称模态啸声的有效声源位置分别是在第4和第3个激波栅格结构的尾缘.      

超声速中等欠膨胀冲击射流的涡声关系研究

使用大涡模拟方法对冲击面为平面的超声速中等欠膨胀冲击射流进行了数值模拟.利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-Kutta法. 通过与经典的冲击射流实验比较,证实了程序的可靠性. 数值模拟得到了流场中不同尺度的涡结构和激波结构,观察到了上行声波和反射波以及流场中不同位置的声源,分析了冲击区剪切层附近区域的压强和涡旋转强度变化的频率、冲击平板上的压强变化频率以及射流剪切层中不同位置的涡合并出现的频率,发现冲击区剪切层附近区域的压强和涡强度变化以及射流剪切层中的涡合并现象和离散频率的冲击单音有重要关联.      

真实火箭射流冲击流场中激波结构的实验研究

本文采用一种有效的激光-莫瑞光栅干涉系统首次拍摄到真实火箭燃气射流冲击流场的激波结构.解决了长期以来无法拍摄到高温、高速、强火焰光的火箭射流流场图像的问题。利用这一系统,研究了射流冲击流场中激波结构的一些变化规律,发现了一些新的激波结构。较系统地研究了欠膨胀射流冲击各种锥体的激波形态。     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。     

二维激波与剪切层相互作用的直接数值模拟研究

采用五阶weighed esseritially non-oscillatory (WENO) 格式和三阶total variation diminishing (TVD) Runge-Kutta 格式, 通过求解二维非定常Navier-Stokes 方程, 直接数值模拟了激波与剪切层相互作用, 目的在于揭示激波与剪切层相互作用过程中噪声产生的机理. 研究发现:(1) 当入射激波穿过剪切层时, 剪切层中心位置向下层区域偏移;(2) 入射激波穿过剪切层产生小激波, 在小激波与剪切层接触点处产生声波并向外辐射;(3) 反射激波穿过剪切层后形成了分段弧状激波;(4) 当反射激波穿过剪切层时, 激波在鞍点处泄漏并向外辐射声波, 这是一种激波泄漏机制.     

改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用

提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法, 并与一种高阶格式的有限差分算法相结合, 运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点, 使得几何边界离散更加细化, 起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点, 有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象 (马赫数为 2.81) 和三维超声速球体绕流问题 (马赫数为 1.2) 的数值模拟, 与实验结果对比表明, 本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度, 减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段, 导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性, 具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位, 激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.      

改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用

提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法,并与一种高阶格式的有限差分算法相结合,运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点,使得几何边界离散更加细化,起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点,有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象(马赫数为2.81)和三维超声速球体绕流问题(马赫数为1.2)的数值模拟,与实验结果对比表明,本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度,减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段,导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性,具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位,激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.     

射流扩散火焰闪烁模态及频率特性的实验研究

层流扩散火焰的闪烁是一种经典的火焰不稳定性现象,然而现阶段对其不稳定性模态及频率特性的研究尚不充分.文章利用高速摄影和粒子图像测速同步测量技术,对宽工况下准静态环境中的浮力主控和动量主控圆口射流扩散火焰的不稳定性及其频率进行了实验研究.实验发现,燃料射流流量增大会导致火焰失稳,所引起的闪烁现象可分为varicose模态和sinuous模态.流场测量结果表明,闪烁火焰的主要流动结构表现为分别位于火焰面内外的两个剪切层.火焰外剪切层卷起形成的大尺度环形涡的周期性产生、增长和脱落是导致火焰面周期性形变(即火焰闪烁)的原因.闪烁火焰具有准周期性,其流场具有统一的主频率,且该频率与火焰脉动频率一致,说明闪烁火焰在本质上是种整体流动不稳定性的体现.浮力主控火焰sinuous模态的频率比varicose模态高3 Hz左右,并且在燃料流量较大的工况下存在varicose和sinuous模态间的切换.浮力主控火焰的频率符合经典的1/2标度律,但不同模态对应着不同的标度律系数.动量主控火焰的频率显著偏离1/2标度率,且偏离程度随射流动量增加而增强.研究表明了流动不稳定性模态对于射流扩散火焰频率特性具有不可...     

基于多层分块算法的激波干扰流场预测

激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一. 特别地, 第IV类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注. 本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题, 分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型, 数值求解有黏二维可压缩NS方程, 分析了高温气体效应对激波干扰流场结构, 以及第IV类激波干扰流场状态参数的影响. 接着, 本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法 (多层分块算法), 给出能够预测不同气体模型下第IV类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型, 进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估. 激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明, 不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著, 获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值.      

厦门岛西水东调对海岛地下水质的影响分析

海岛是一种独特的生态系统, 由于其特殊的水文地质条件, 水资源相对比较贫乏, 一般都依靠地下水维持岛上生产生活用水, 如果地下水质受到影响, 则会带来较大的风险。岛内地表淡水湖泊水体污染严重。为了解决岛内地表淡水湖泊水体污染问题, 决定调用海水对其进行稀释, 而这一方案则有可能造成引水工程沿线海水侵入地下水问题。本文采用有限元方法分析从厦门西侧的筼筜湖经松柏湖调水到钟宅湾对周围地下水质和湖库水体的影响, 以及在丰水年和枯水年湖库水体和海水水体之间的补给关系。分析表明: 工程在一年左右对周围地下水的影响将趋于稳定, 工程沿线150～800m 范围内地下水的盐度产生了明显变化。在枯水年, 由于地下水位下降, 海水有可能会补给湖库, 引起湖泊盐度升高, 对工程沿线特别是饮用水备用水源湖边水库造成潜在的威胁。     

膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究

研究了膏溶角砾岩的侧限膨胀特性及其影响因素。这种岩石受到扰动后可吸水发生膨胀变形使其结构发生变形甚至破坏。通过GDG高压固结仪采用平衡加压法和充分膨胀法研究了侧限情况下岩石的膨胀力指标, 解释了充分膨胀法膨胀力指标大于平衡加压法膨胀力指标的原因。通过试验研究了供水充足条件下膏溶角砾岩侧限自由膨胀变形演化规律, 阐述了膏溶角砾岩侧限膨胀变形的影响因素。岩石试样采自山西石太客运专线太行山隧道, 试验结果表明, 膏溶角砾岩的膨胀特性不同于常规的膨胀岩, 其轴向膨胀变形随含水率增加而增加, 随密度增大而减小。     

铁岭组中风化柱状叠层石灰岩强度确定概率方法

研究区大量分布中风化柱状叠层石灰岩, 岩石强度具有很强的变异性和区域性, 而岩石强度是影响边坡稳定的重要因素。要进行边坡稳定性评价, 就需要对研究区现场试验数据作为随机变量进行概率统计分析, 获取可靠的岩石强度指标。本文通过对研究区内中风化柱状叠层石灰岩( t2³ ) 现场点荷载实验数据进行统计分析, 利用x² 检验进行拟和, 得到岩石强度的概率密度函数和概率分布形式, 抗压强度和抗拉强度均服从对数正态分布。在此基础上, 结合相近岩性岩石强度的拟和结果, 建立区内中风化柱状叠层石灰岩点荷载试验强度概率分布函数。运用Bayes估计推断区域内中风化柱状叠层石灰岩岩石点荷载强度, 得到岩石抗压强度预测值为72. 42 MPa, 抗拉强度预测值为2. 29 MPa, 相对误差较小, 样本信任度达到70%以上。该方法对于岩石强度估计是有效的, 由该方法所得到的估计值对研究区边坡稳定性评价以及后期边坡治理都具有重要的实践意义。     

典型冰水堆积体浪蚀作用下变形破坏机制研究

大渡河中游沿岸中海拔地区广泛分布的一层冰水堆积体大多具有较为密实的结构和一定程度的胶结, 在风浪作用下的变形破坏机制与其他堆积体存在较大差别。通过对某电站库区高速公路冰水堆积路基岸坡调查和试验分析认为, 该冰水堆积体属级配良好的含细颗粒的粗粒～巨粒混合土, 颗粒之间嵌合紧密, 一般呈中密～密实状, 具有不同程度的泥质、钙质胶结, 其强度明显较其他松散堆积体高。通过采用地质过程定性分析和有限元半定量评价相结合的手段对该冰水堆积体在风浪作用下的变形破坏机制进行了分析和研究, 认为该类冰水堆积体在风浪作用下主要表现为淘蚀- 坍塌型失稳模式。     

浅埋双连拱隧道围岩——边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为“蠕滑- 拉裂”变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

南京石膏矿特大突水灾害机理研究

发生于2006年9月11日的南京石膏矿特大突水灾害不仅改变了矿区及外围的地下水流场, 并引发了矿区地面沉降变形, 对地表附属物产生了一定的破坏作用, 造成了包括矿山关闭在内的巨大财产损失。南京石膏矿涉及典型的深部矿山地质工程问题, 影响地下开采稳定、矿山灾害和环境问题的主要因素是矿体及围岩的岩性结构及岩体结构构造, 特别是断裂构造及其影响带裂隙发育情况、富水性、导水率。围岩的岩溶强烈富水带的存在是矿坑突水的直接水源; 矿体的软岩特性、矿山开采扰动使采场周围的应力场重新分布、开采对断裂构造及裂隙带等结构体的活化作用都加剧了突水灾害的发生。     

常吉高速公路湘西段路堑边坡结构特征与防护措施

常吉高速公路湘西段地形起伏大, 地质条件复杂, 路堑边坡数量众多, 边坡稳定性问题突出。本文根据岩体产状与边坡坡面的关系研究, 认为常吉高速湘西段路堑边坡主要包括顺向坡、正交坡与反向坡, 其中顺向坡的变形破坏机制与它的物质组成、岩体结构合风化程度等有关。分析、总结了路堑边坡的变形破坏模式, 提出并实施了针对不同边坡结构类型与变形破坏模式的边坡防护措施。     

关于衢州古城墙通仙门凝灰岩砌块相对风化速度的研究

岩石风化速度历来受到工程地质学界和地貌学界的关注, 但由于岩石在自然条件下的风化速度很慢, 通常很难测到定量化的结果。为了研究衢州古城通仙门城台基座的凝灰岩砌块的相对风化速度, 作者利用与之相邻的石英砂岩水平砌块和它之间风化厚度的比较来估算凝灰岩相对于石英砂岩自明代筑城开始至今的相对风化速度, 得出平均风化速度为0.086mm·A^-1的结论。     

结合水动力学原理在旬阳水电站安康城区及周边浸没研究中的应用

旬阳水电站库尾安康城区及周边地区系汉江左岸河流阶地和高、低漫滩, 具有典型的二元结构特征, 其中高漫滩表部普遍分布有较厚的人工填土。本文在浸没研究中应用结合水动力学原理以及粘性土的渗流特征, 确定测压水位和粘土层含水带水位关系, 针对不同建筑物的基础类型、埋深、填土层厚度、郊区农作物类型等, 确定不同的浸没临界深度。并通过7个不同正常蓄水位工况的地下水壅高计算和粘土层内的含水带埋深计算, 分析和研究浸没程度和范围, 最终确定合理的正常蓄水位, 为完成本工程水库移民安置工作提供了可靠的地质依据。     

基于正交试验的复合地基沉降影响因素分析

结合苏北滨海平原连云港地区海相沉积的软土粘粒含量大、海侵海退、多夹层等特点及某高速公路沉降观测资料,考虑复合地基段沉降效果良好、固结显著, 对水泥搅拌桩处理海相软土地基实测累计沉降的影响因素进行单因素和多因素分析。在正交设计理论的基础上, 提出似正交设计方法并重点对软土厚度、预压方式、填土高度、桩长和桩间距进行多因素分析, 计算证明了预压方式和填土高度对水泥土桩复合地基加固软土地基的实测累计沉降的显著影响, 建议在该工程软土厚度范围变化不大的地段, 应优先调整预压方式并控制填土高度。