2021年秋季学期流体力学研究生学术报告会圆满结束

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何东

基于激光吸收光谱的激波波后多参数演化过程同步测量研究

氨气作为一种能量载体，在能源系统中扮演着越来越重要的角色。掺氨混合燃料的推广使用是落实碳减排、实现“碳中和”的重要措施。精准测量混合燃料燃烧过程中温度和多组分浓度的演化过程，对混合燃料化学反应机理构建、燃机设计等具有重要意义。本报告基于激光吸收光谱技术，进行激波波后掺氨燃料燃烧过程中温度和多组分浓度（NH3、CO和CO2）演化过程的微秒量级时间分辨率同步测量研究。本报告选择CO基频谱带谱线对（P8：v = 0，4.73 µm；R21：v = 1，4.56 µm）、CO2 v3振动带谱线（R88：v = 0，4.18 µm）和NH3 v2振动带谱线（8.91 µm附近）进行多参数测量。首先，本报告介绍了高温条件下的谱线参数标定工作。随后，本报告介绍了反射激波后高温低压、高压和含氧燃料裂解条件下温度演化过程的测量结果，揭示了激波管非理想效应和反应热效应对温度演化过程的影响机制。最后，本报告介绍了正庚烷掺氨混合燃料燃烧过程中上述参数演化过程的测量结果，并与相关机理的模拟结果进行对比分析。

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张春雨

多相界面流动中的接触线模型和界面与颗粒耦合运动研究

复杂壁面上移动接触线建模和相关的复合液滴与颗粒动力学是多相界面流动的关键科学问题。本工作发展了弯曲壁面上带移动接触线的三相流动数值模拟模型，通过对圆柱侧面的复合液滴构型的研究验证了模型的准确性，并结合理论分析方法研究了平板上复合液滴参数相图和构型之间的转化。此外，探究了球形颗粒出水与入水过程中颗粒与流体界面耦合动力学，揭示了颗粒出水过程中惯性、重力和界面张力的竞争机制，预测了颗粒穿透液面和被液面弹回的临界转换边界。颗粒入水过程中，在水面铺上一层很薄的油膜，能够有效地改变对颗粒入水过程，提出了颗粒在低粘性和高粘性油层中的减速运动模型，揭示了小球沉浮模态转变的力学机理。

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赵志晔

可压缩柱几何瑞利—泰勒不稳定性及湍流混合研究

瑞利—泰勒（RT）不稳定性发生在重力作用下两种流体之间的扰动界面上，其中重力方向从较重流体指向较轻流体。RT不稳定性及其诱导的湍流混合广泛存在于工程（如惯性约束聚变）与自然（如超新星爆炸）现象中，具有重要的科学意义和应用背景。实际问题中可压缩性与汇聚几何效应均会显著影响RT不稳定性的演化，例如可压缩性与汇聚几何效应在惯性约束聚变与超新星中尤为重要。因此，本报告将重点研究可压缩柱几何RT不稳定性及湍流混合问题。本报告采用理论分析及直接数值模拟方法，建立了柱几何RT不稳定性非线性增长的解析模型，提出了柱几何RT湍流混合层宽度非线性增长的标度率，揭示了可压缩性对RT湍流混合中动能和拟涡能输运的影响。

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秦坚

移动接触线的水动力学理论

移动接触线广泛存在于自然界与日常生活中，在物体镀膜、喷墨打印、光刻等技术中有重要应用。移动接触线问题具有多尺度性，其附近的流动与界面特征在不同尺度受到不同力的主导。对于移动接触线的跨尺度理论研究有助于加深对移动接触线问题的理解，并为工业应用提供理论指导。本报告将介绍本课题组近期在移动接触线理论方面的研究进展。在润滑理论框架下，推广了前人的渐近匹配理论，使之适用于任意的接触线运动方向和界面凸凹性；将介观尺度的渐近解耦合在润滑方程的数值求解中，显著减少了计算量，且仍能准确预测宏观界面形态与接触线运动；提出了推广润滑方程的变换理论，指出了推广润滑方程在变换空间与经典润滑方程的等价性；发展了自相似滑移的推广润滑理论，得到了具有解析形式的界面控制方程，该理论得到了直接数值模拟的验证。

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司东现

汇聚激波间断化过程的激波动力学分析

无论是非定常汇聚激波还是沿流向持续收缩的定常内锥激波，一旦初始均匀性不能满足，激波面上都会出现从连续到间断的转变。然而，鉴于目前相关理论的局限性，激波面间断化的机理揭示以及定量预测，特别对于三维定常激波，具有很大的挑战性。因此，本报告尝试运用高超声速等价原理，将三维定常的内锥激波简化为二维非定常汇聚激波。针对简化后的非定常汇聚激波，重点研究初始几何和强度非均匀性对汇聚激波的影响。根据激波动力学原理，发展出波面-扰动追踪法，揭示并定量预测出激波面从连续到间断的内在机理和形成位置。

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王成承

表面活性剂对两层振荡薄膜长波稳定性的影响

在许多工业应用中，如涂层、晶体生长和材料加工，靠近壁面的薄膜流动的稳定性是非常重要的。然而，不稳定通常会发生，而且不能被忽视。本报告将介绍在长波扰动条件下由振荡平板驱动的两层膜流的稳定性问题。我们系统地研究了厚度比、粘度比、密度比、振荡频率以及不溶性表面活性剂等关键因素对其稳定性行为的影响。通过求解四阶矩阵的特征值问题确定了四种Floquet模态。在振荡频率和厚度比的相图平面上，稳定和不稳定的弯曲条纹交替出现。粘度比和密度比的影响是类似的。表面活性剂通常可以稳定两层振荡膜的流动，而界面活性剂既可以促进流动的稳定也可以抑制，但效果是微弱的。此外，我们还发现重力通常可以稳定流动，因为它缩小了不稳定频率的带宽。

7

冯莉莉

平面激波诱导双层气柱演化的研究

首次在实验中实现了平面激波冲击双层气柱的研究。采用肥皂膜技术生成双层气柱，通过改变半径比（即内层气柱与外层气柱的半径比）探究了内层气柱对外层气柱演化的影响。流动特征表明，内外两层气柱在早期独立演化，而在后期相互耦合。内层气柱的存在改变了激波的运动，导致外层气柱下游界面产生了涡对而不是射流。涡对的尺度与初始半径比成正相关。从内层气柱上游界面产生的稀疏波对外层气柱上游界面的加速要早于单层SF6气柱。随着半径比不同，稀疏波加速界面的时间不同，从而延长或缩短了上游界面运动的线性期。激波和稀疏波的反复作用导致非线性模型在预测上游界面运动时失效。对于外层气柱，它在流向和展向上的运动被内层气柱促进，而对于内层气柱，其流向和展向上的运动分别受到外层气柱的抑制和促进作用。随着半径比的增加，这种促进作用或抑制作用更显著。

8

刘雪超

椭圆颗粒悬浮液微观结构及流变特性研究

自然界以及工业中非球形颗粒非常常见，对非球形颗粒悬浮液的研究可以增进我们对颗粒悬浮液的流变特性的认识，有利于对工业生产提供指导。本报告采用格子玻尔兹曼方法和浸没边界法对椭圆颗粒悬浮液进行模拟研究。对于单颗粒悬浮液，在低雷诺数下悬浮液的表观粘性系数随着颗粒的长短轴之比单调递减，在高雷诺数下粘性系数先减小后增大。对于多颗粒悬浮液粘性系数先降低后增大。通过Batchelor公式将颗粒对流体应力的贡献分为表面应力积分项（S），颗粒加速项（P）以及雷诺应力项（R）。我们发现S项对粘性系数贡献占主导，P和R项对粘性系数的贡献很小可以忽略，但是P和R的值随着雷诺数以及颗粒长短轴之比的增大而不断增大。同时雷诺数以及颗粒长短轴之比较大时，R项对第一法向应力差的影响不可忽略甚至超过S项的影响。另外我们对颗粒微观结构（颗粒的朝向，颗粒的分布）以及颗粒速度进行了统计分析。本文的研究进一步推进我们对非球形颗粒悬浮液的认识。

9

洪雨婷

高超声速激波/湍流边界层干扰长度标度律研究

激波/湍流边界层干扰现象广泛存在于超声速和高超声速流动中，因其容易给干扰区造成严酷的气动力/热载荷、激波振荡甚至流场突变，已成为先进空天飞行器研制过程中面临的关键气动挑战之一。干扰长度作为表征该流动现象的特征尺度，掌握其变化规律不仅具有重要的学术价值，而且可以指导工程设计如何规避流动分离。然而，针对干扰长度提出的标度律目前主要应用在超声速领域，高超声速领域内对干扰长度的系统性研究仍然较少。因此，本研究通过搜集大量的高超声速激波/湍流边界层干扰数据，提取了不同构型下的干扰长度，总结了高超声速领域内干扰长度标度律的规律。研究发现，高雷诺数和低雷诺数的数据满足不同的标度律关系，本研究丰富了高超声速领域内激波/湍流边界层干扰的认识，对工程预测干扰长度有指导意义。

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李俊

烧蚀瑞利-泰勒不稳定性中的非局域传热效应

瑞利-泰勒不稳定性是阻碍惯性约束聚变（ICF）点火目标实现的两个最重要的风险因素之一。ICF是用强激光或粒子束均匀照射包含聚变燃料的球型靶丸，靶丸表面吸热向外喷出高温低密度等离子体（烧蚀过程）, 未烧蚀部分由于火箭效应向内收缩（内爆过程），聚变材料被压缩至高温高密度状态发生聚变反应又在自身惯性的约束之下维持一定时间使聚变能量增益尽可能大。烧蚀前沿在内爆加速阶段会发生RTI，然而与经典RTI不同的是，此时流体界面之间强传热引起的烧蚀将严重改变RTI的动力学演化行为，学术界称之为烧蚀瑞利-泰勒不稳定性（ARTI）。ARTI对传热过程敏感，但不幸的是在ICF的大温度梯度条件下热流不能由局部的热力学信息确定，传热过程成为非局域的，现有ICF程序中广泛采用的经典局域传热定律失效。与此同时ICF中存在由于激光等离子体相互作用不稳定性产生的热电子，热电子自由程长，以非局域的形式输运能量。非局域传热是ICF中的核心难题之一。本报告将介绍由于大温度梯度和热电子引起的非局域传热对ARTI的影响问题。我们开发了多群扩散非局域传热算法并与流体力学方程相耦合，模拟了一系列美国国家点火装置中的典型聚变参数下的ARTI增长过程, 克服了实验研究中难以单独隔离出非局域传热对ARTI影响的非线性效应的困难，通过数值模拟首次揭示了非局域传热对ARTI气泡强非线性阶段二次加速的致稳作用并阐明了其中的物理机制。同时为了简化问题突出主要特征，我们将具有复杂分布函数的热电子简化为具有单一热运动速度的电子群，并在多群扩散算法框架下首次定量研究了热电子对ARTI的影响并讨论了热电子能量和数密度等关键参数的影响。

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李坚明

汇聚RM不稳定性的研究

当两种物理性质不同的流体之间分界面受到运动激波冲击后，界面上任意初始小扰动都会不断增长，并逐渐进入湍流混合的状态，这中不稳定性现象被称为Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性。RM不稳定性的研究对于界面不稳定性、旋涡动力学和可压缩湍流等学术问题有着重要的意义，且工程应用领域也较为广泛，即包括大尺度的超新星爆发，也包括小尺度的惯性约束核聚变。近年来，激波诱导的RM不稳定性得到了国内外学者的广泛关注，主要集中在平面激波方面；受到物理机理复杂和汇聚激波生成困难等因素限制，有关汇聚激波诱导RM不稳定性的研究进展较少。在汇聚情况下，界面向心运动时由于几何收缩造成的Bell-Plesset（BP）效应以及界面减速带来的Rayleigh-Taylor（RT）效应会持续影响界面扰动振幅的增长。激波汇聚中心形成的反射激波会再次作用界面，加剧界面的RM不稳定性演化。本文利用肥皂液成膜技术，生成了具有不同初始条件的扰动气层，在自行研制的半环形汇聚激波管中进行了一系列实验，并使用高速纹影法拍摄激波和界面的演化过程，研究了柱形空间中，几何收缩效应、RT效应等对双层界面失稳的影响机制。通过本项研究，将有效增强对汇聚激波诱导的RM不稳定性的物理规律和机理的理解。

12

邵政豪

液桥剪切与拉伸行为中的润湿转换现象的实验研究

液桥模型在印刷工艺中非常常见，研究其中的动力学行为及伴随的接触线的演化过程有助于现实中的工业生产。目前的研究对液桥中接触线发生的润湿转换现象尚不充分，本报告将通过实验方法并辅以理论对液桥的剪切和拉伸行为分开研究。对于液桥剪切，我们发现存在四个流动模态，剪切速度会影响接触线尾部形态和小液滴的拖出。液桥初始几何形态并不影响模态间的临界毛细数。实验中发现液桥尾部夹角与侧倾角之间存在一定关系，与本实验室的理论符合良好。液桥拉伸同样存在2个模态，是否能拉出液膜由液桥初始几何形态与拉伸速度共同控制。液膜前端会出现凸起结构，演化过程和时间有幂次律关系，并在宽度达到毛细长度时自发消失。之后我们从静力学方程出发，用准静态模型的理论结果对比存在液膜时的液桥界面轮廓，发现表观接触角在有限角度下与实验结果符合良好。本文的研究将经典液桥模型与接触线中的润湿转换问题相结合，对液膜演化及液桥变形进行了定量的分析，进一步增加了我们对该问题的认识。

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周彰博

可压缩湍流混合的数值模拟方法

可压缩湍流混合在惯性约束核聚变、高超声速飞行器设计以及超新星爆发等工程问题和自然现象中发挥着重要作用。由于其流场的复杂性，无论是实验室实验的流场诊断技术还是数值模拟方法都面临巨大挑战。其中数值上的困难除了高昂的计算成本之外，主要来自于可压缩湍流中普遍存在的间断和丰富的尺度对数值方法提出了相反的要求。针对这个问题，以往的高阶格式多采用优化线性部分的方法，然而数值试验表明非线性机制将显著影响数值结果。本报告介绍一种基于非线性优化的高阶加权紧致非线性格式，相比同类型的先进格式其具有更好的谱特性，在保持最小化数值色散的同时，能够自适应调整数值耗散。大量基准算例表明，该格式能够稳定捕捉激波、接触间断，并能解析出更丰富的小尺度结构。

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周炳康

钝前缘V字形溢流口激波干扰及气动热/力特性研究

针对高超声速进气道钝前缘V字形溢流口处极易形成复杂激波干扰，并产生严酷气动热/力载荷的问题，提炼出具有几何共性的V字形钝化前缘平板模型，采用数值模拟结合激波风洞试验，研究了前缘气动热的尺度效应和下游平板表面压力特性。结果表明，随着尺度增大，前缘无量纲压力峰值差异很小，无量纲热流峰值增大，揭示了压力/热流峰值的产生机制，建立了不同来流下热流峰值的尺度关联模型；V字形钝化前缘产生的三维波系结构发生变化，引起下游平板表面压力演变出4种分布类型，揭示了超声速射流对撞与激波扫掠导致外壁面产生局部高压的内在机理。本研究丰富了高超声速进气道溢流口上下游流动的认识，为内转式进气道气动热工程预测和壁面防护设计，提供有价值的参考。

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王瑞

液滴撞击无滑移壁面的最大铺展直径的普适预测模型

液滴撞击固壁面后的最大铺展与很多自然现象和工业应用密切相关，如雨滴撞击土壤，3D打印，喷淋冷却等。为了揭示液滴撞击壁面的内在机理并准确预测液滴的最大铺展直径，本课题通过扩散界面法数值研究了液滴撞击不同浸润性的无滑移壁面问题，目的是获得液滴最大铺展的普适预测模型。我们发现壁面浸润性对最大铺展影响很大，并且在液滴粘性极低条件下，液滴最大铺展时刻的表面能与初始动能的比率，η，服从η~We^(-1/2)尺度率，其中We是韦伯数。我们基于能量转化和对接触角影响的分析得到毛细区的最大铺展尺度率，同时引入一个新的撞击参数，使得不同参数域（从粘性区到毛细区）的所有数值结果汇聚到同一条曲线上。最终，我们提出一个普适的预测模型，该模型在较大的参数范围内与数值和实验结果都吻合良好。

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朱亚标

粘弹性湍流的直接数值模拟—弹性和旋转耦合作用

流体弹性和系统旋转是工业流动中广泛存在的重要因素，两者耦合作用下的壁湍流是非线性和复杂流动研究领域的基础科学问题。本报告以展向旋转平板Couette流动(RPCF)为基本几何构型，通过直接数值模拟结合理论分析，开展弹性和旋转效应耦合作用下的壁湍流转捩和流动机理研究。结果表明，（1）在弱弹性下，流动中存在一条旋转驱动的从减阻的惯性湍流到增阻的惯性弹性湍流的转捩路径；（2）在弱旋转下，弹性的增强诱导了间歇性湍流的发生；（3）在中等旋转下，聚合物导致了伴随着增阻的湍流层流化现象；（4）在强旋转下，惯性弹性湍流范围内存在最大增阻渐近线，类似于牛顿湍流中的von Kármán率和减阻流动中的Virk率，此时流动的平均速度剖面全部满足特征斜率为1/18.2的对数率。这些研究证明了聚合物与湍流相互作用的普遍特性，为机理上解释聚合物减阻机制和阻力渐近饱和行为提供了新思路。