激波和界面相互作用的数值研究
本文选题:界面追踪 + level-set ; 参考:《中国科学技术大学》2017年硕士论文
【摘要】:本文研究运动激波和多物质界面相互作用问题。假设气体和水为无黏可压缩介质,采用Euler方程描述可压缩介质流场。将GFM方法拓展到多物质界面和计算域边界条件处理,采用level-set方法追踪气/气、气/水和气/固界面,界面边界条件处理同时考虑虚拟流体和当地真实流体的某些性质。气/气界面采用OGFM方法定义边界条件。气/水界面采用文献修正的rGFM方法定义边界条件,提高了 Riemann问题构造的精度。气/固界面基于GFM方法通过外推参数定义固壁边界条件。本文采用有限差分方法分别求解流场控制Euler方程(双曲守恒律方程)、界面level-set方程和重新初始化方程(Hamilton-Jacobi方程),结合方程特点,空间离散分别选用合适的五阶WENO格式,时间离散选用三阶TVD Runge-Kutta 方法。本文首先重复了文献中的算例,如Sod和Lax激波管问题、界面在旋转和剪切流场运动和变形、水下气泡膨胀以及激波和单个水/固体圆柱相互作用。给出了压力分布、界面位置等计算结果,表明本文与文献结果是符合的,也验证了本文数值方法和计算程序。在此基础上,本文对运动激波和双列水/固柱、单列水柱以及同时包含He气泡、气水和气固界面相互作用问题进行了计算,给出了不同时刻的流场密度纹影图和指定点的压力时间曲线。主要结论概述如下:(1)对于空气中激波分别和双列水柱/固体圆柱相互作用问题,计算结果表明:激波在水柱和固体圆柱表面间发生规则和Mach反射、透射等现象,相邻界面的反射激波还会进一步发生透射和反射,流场激波波系结构极为复杂。除了水柱的透射激波外,水柱和固体圆柱表面的反射激波及其相邻水柱/圆柱反射激波的相互透射和反射产生的激波波系结构几乎相同。原因是:水相对于空气密度和惯性都很大,在激波扫过柱体的短时间内,水柱运动和变形较为缓慢,与固体圆柱类似。空气和水声阻抗差异使得水柱吸收空气冲击波能量很小,而固体圆柱内部无能量吸收,两者表现较为一致。水柱和固体圆柱下游均出现旋涡。(2)对于空气激波与不同直径、不同数量单列水柱相互作用问题,计算结果表明:水柱直径越大或者数量越多,即孔隙率越小,激波传播过程中所受阻碍就越大,其受扰动程度也就越剧烈,导至相邻水牲或固体圆柱出现"泡状激波",类似喷管的喉道起动激波。(3)对于空气激波同时与He气泡、水柱和间体圆柱相互作用问题,计算结果表明:激波在不同物质界面产生了不同的激波波系结构。其中,水柱和固体圆柱表面的激波结构和强度相似,但He产气泡界面附近激波结构差异显著,界面形变剧烈,激波衰减程度较大。原因是:水和He气、空气声阻抗趋异巨大,水中透射激波能量低,因此,水和固体圆柱激波结构接近,但He气密度小于空气且He气与空气的声阻抗差异很小,He气泡惯性小,受激波冲击作用产生较大变形和明显运动,He气泡吸收能量较大,因而透射激波强度较大,导致入射激波衰减较快。(4)上述计算结果表明:本文采用的数值方法、界面边界条件处理是合适的,可以捕捉到激波和同类多个界面以及不同类多个界面相互作用的精细和复杂激波波系结构。本文将GFM方法由气/气和气/水界面推广到气/固界面和计算域边界处理,为复杂计算域和运动边界复杂流动计算提供了不同于坐标变换的一条新途径。
[Abstract]:This paper studies the interaction of motion shock wave and multi material interface. Assuming that gas and water are non viscous compressible media, the Euler equation is used to describe the flow field of compressible media. The GFM method is extended to the boundary conditions of the multi material interface and the computational domain, and the level-set method is used to trace gas / gas, gas / water and gas / solid interfaces and boundary condition treatment. At the same time, some properties of the virtual fluid and the local real fluid are considered. The gas / gas interface is defined by the OGFM method. The boundary conditions are defined by the revised rGFM method of the gas / water interface to improve the precision of the structure of the Riemann problem. The gas / solid interface is based on the GFM method to define the wall boundary conditions by the extrapolation parameter. The finite difference method is used to solve the Euler equation (hyperbolic conservation law equation), the interface level-set equation and the re initialization equation (Hamilton-Jacobi equation). In combination with the characteristic of the equation, the suitable five order WENO scheme is selected for spatial discretization and the three order TVD Runge-Kutta method is selected for time discretization. First, the examples in the literature are repeated in this paper. Such as Sod and Lax shock tube problems, the interface between the movement and deformation of the rotating and shear flow field, the expansion of the underwater bubble and the interaction between the shock wave and the single water / solid cylinder. The calculation results of pressure distribution and interface position are given. The results show that this paper is in accordance with the literature results, and the numerical method and calculation program are verified. Based on this, this paper is based on this method. The interaction of motion shock wave and double column water / solid column, single column water column, including He bubble, gas water and gas-solid interface is calculated. The density schlieren diagram and pressure time curve of the specified point at different time are given. The main conclusions are as follows: (1) in the air, the shock wave and the double column / solid cylinder phase are respectively in the air. The interaction problem, the results show that the shock wave between the water column and the surface of the solid cylinder has rules and Mach reflection, transmission and so on. The reflection shock wave in the adjacent interface will be further transmitted and reflected. The structure of the shock wave system is very complex. Besides the transmission shock of the water column, the reflection shock and its phase of the water column and the solid cylinder surface are reflected. The shock wave system structure of the adjacent water column / cylindrical reflection shock wave is almost the same. The reason is: the water phase is very strong for air density and inertia. In the short time of shock sweep through the column, the movement and deformation of the water column are slow, similar to the solid cylinder. The difference of air and water acoustic impedance makes the water column absorb air shock wave The energy is very small, and there is no energy absorption inside the solid cylinder. The two performances are consistent. (2) the interaction of air shock and different diameter, different number of single column water column. The results show that the larger the diameter of the column or the more the number of water column, that is, the smaller the porosity, the shock wave propagation process. The greater the hindrance, the greater the degree of disturbance, and the degree of disturbance is more intense, which leads to the emergence of "bubble shock" to adjacent water or solid cylinders, similar to the throat starting shock of the nozzle. (3) the interaction of air shock waves with He bubbles, water column and interbody cylinder shows that the shock wave produces different excitation waves at different material interfaces. The shock structure and strength of the surface of the water column and the solid cylinder are similar, but the shock wave structure near the He bubble interface is distinct, the interface deformation is intense and the shock wave attenuation is great. The reason is: water and He gas, the acoustic impedance of the air is different and the energy of the shock wave in the water is low. Therefore, the water and the solid cylindrical shock wave structure is close, but the He gas density is close. The difference of the acoustic impedance of He gas and air is small. The He bubble has a small inertia, and the shock effect of the shock wave produces larger deformation and obvious motion. The He bubble absorbs more energy, so the intensity of the transmission shock wave is larger and the incident shock wave attenuates faster. (4) the numerical results mentioned above show that the numerical method adopted in this paper is to deal with boundary conditions. It is suitable to capture the fine and complex excitation wave structure of the shock wave and the similar interfaces and the interaction of different kinds of interfaces. This paper extends the GFM method from gas / gas and gas / water interfaces to the gas / solid interface and the boundary processing of the computational domain, which provides different coordinates for complex computation domain and motion boundary complex flow calculation. A new way of changing.
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O354.5
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 段慧玲,王建祥,黄筑平,黄红波;具有非均匀界面相的颗粒和纤维增强复合材料弹性静力学问题的解析解[J];应用数学和力学;2005年03期
2 唐绍锋;梁军;杜善义;;含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力场的二重双尺度方法[J];复合材料学报;2010年01期
3 伍章健,,余寿文;含界面相效应的纤维增强复合材料桥联增韧力学分析[J];固体力学学报;1994年01期
4 朱清仁,庞文民,张裕恒,黄元华;柔性链高分子折叠片晶界面相的观测与讨论[J];科学通报;1996年01期
5 梁锦文;重磁场界面自动反演程序[J];桂林冶金地质学院学报;1982年03期
6 张博明;杨仲;孙新杨;王晓宏;;含界面相复合材料热残余应力分析[J];固体力学学报;2010年02期
7 贺鹏飞,顾明元,吴人洁;树枝状界面相开裂对纤维强度的影响[J];应用力学学报;1996年03期
8 刘希强;魏培君;;颗粒增强复合材料的界面损伤对有效波速的影响[J];中国科学(G辑:物理学 力学 天文学);2008年05期
9 寇喜春;姜振华;马荣堂;张丽梅;郑莹光;董风霞;;PC/PMMA共混物界面相行为的研究[J];科学通报;1993年15期
10 唐正姣;欧阳贻德;陈金芳;;液-液体系界面相厚度与接触角的可视化测量[J];化工科技;2005年05期
相关会议论文 前10条
1 魏培君;;含黏弹界面相的颗粒增强复合材料动态有效性质[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
2 王成禹;卢子兴;;含界面相三维编织复合材料导热性能的有限元分析[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
3 张振国;陈永强;黄筑平;;含非均匀界面相球形粒子填充复合材料的有效体积模量和有效热膨胀系数预测[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年
4 彭孟军;廖永贵;解孝林;;相容性高分子体系界面相互扩散行为的原子力显微镜研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2010年
5 刘冲;;界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2000年
6 宋丹;孙秀芬;魏海荣;;Ti—4.5Al—5Mo—1.5Cr合金界面相的电镜研究[A];第三次中国电子显微学会议论文摘要集(二)[C];1983年
7 韩军;袁鸿;;扭转作用下管接头界面力学性能研究[A];第23届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C];2014年
8 金士九;史卫华;王霞;张春昕;余云照;;芳纶纤维—环氧树脂界面相[A];北京粘接学会第四届学术年会-胶黏剂论文集[C];1992年
9 张欣欣;冯妍卉;田乃媛;徐安军;;冶金流程工序界面的关键技术[A];第七届全国工业炉学术年会论文集[C];2006年
10 徐涛;王建华;傅强;张孝仪;官德斌;;表面处理对PUR-R/GF界面相结构及力学性能的影响[A];2002年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集[C];2002年
相关博士学位论文 前8条
1 林骥;几类生物纳米界面的粘附接触[D];浙江大学;2017年
2 杨仲;考虑界面相的单向复合材料力学性能预报研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 王晓宏;碳纤维/树脂单丝复合体系界面力学行为的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 龙莹;陶瓷涂层及含纤维陶瓷界面相C/C复合材料的微观力学性能[D];中南大学;2012年
5 夏克林;匹配分界面与边界面法(MIB)之研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2012年
6 杨慧;颗粒增强复合材料细观力学研究[D];南京航空航天大学;2012年
7 王晓强;基于内聚力模型的复合材料拉伸性能细观有限元分析[D];哈尔滨工程大学;2012年
8 唐绍锋;复合材料热/力学性能的双尺度渐近分析[D];哈尔滨工业大学;2009年
相关硕士学位论文 前10条
1 江旭恒;多孔膜支撑的两互不相溶电解质溶液界面上离子转移反应的研究[D];上海应用技术学院;2015年
2 毕家海;柱[5]芳烃的设计合成、界面组装及外场响应性能研究[D];华中师范大学;2015年
3 李霄;橡胶复合材料导热性能的空间量化分析及界面相影响研究[D];青岛科技大学;2015年
4 李伟伟;既有建筑改造类艺术街区街道的复合界面评价研究[D];合肥工业大学;2015年
5 吕玲;品牌文化视角下校园APP界面设计探索[D];东南大学;2015年
6 王静静;C_F表面涂层及PIP法3D-C_F/SiC复合材料制备与性能研究[D];上海工程技术大学;2015年
7 张温馨;激光成形Ti_3Al/TC11连接界面的强韧化工艺及其机理研究[D];西安建筑科技大学;2016年
8 薛红;大环芳烃功能化界面的构建及其手性响应性能的研究[D];华中师范大学;2016年
9 马增晖;基于用户潜意识行为的移动终端交互界面设计研究[D];郑州轻工业学院;2016年
10 孙逊;化学气相沉积法制备SiBCN界面相的工艺与结构研究[D];国防科学技术大学;2014年
本文编号:1845869
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/1845869.html