论文摘要
兵器发射与爆炸过程中均会产生激波,会对周围人员和设备造成损伤,因而对激波与不同物质界面相互作用机理及其诱导的波系结构进行研究具有非常重要的工程应用背景。此外,激波与不同物质界面作用过程中还蕴含诸多复杂的流体物理现象,如激波诱导涡、激波与涡相互作用等,因此对其进行研究还具有重要的学术意义。本文分别基于欧拉方程和大涡模拟方法,结合高精度数值计算格式、沉浸边界法以及结构化网格自适应加密技术,数值研究了激波与固体以及气体物质界面相互作用及其耦合过程,主要工作和研究成果如下：对激波绕过三角楔（Schardin问题）和激波与矩形凹槽作用的两种典型激波与固体界面作用问题进行了探讨,揭示了激波在固体界面绕射过程中所产生的各种复杂物理现象。对Schardin问题中的激波马赫反射的形成、激波绕射、激波诱导涡、激波与主涡的相互作用、激波与涡串作用以及产生声波等过程进行了详细讨论,揭示了相互作用的后期,三角楔尾的主涡滑移层在K-H不稳定性作用下失稳形成次级涡串的过程以及反射激波与涡串相互作用产生声波的机理。对激波与凹槽的相互作用问题中激波绕射以及诱导主涡过程进行了讨论,着重研究了绕射激波在凹槽内部左右壁面来回反射与主涡作用过程以及在凹槽底面产生的反射激波向上传播与主涡作用过程。同时,还对平面激波与管内壁面不同形状的障碍物界面相互作用所导致的激波衰减进行了深入研究。通过系统地分析激波与障碍物作用过程中流场波系结构以及波阵面压强变化,对管内激波衰减的机理进行了分析,揭示了激波与固体界面相互作用时绕射所产生的膨胀波与入射激波相互作用是导致其衰减的主要原因。同时通过分别改变障碍物顶面宽度、迎风面以及背风面斜率这三个几何参数对障碍物形状与激波衰减效果的关系进行了研究,结果表明,迎风面斜率为负的三角形障碍物相较于其他形状的障碍物具有最佳的激波衰减效果。结合以上结论,得到了具有最佳的激波衰减效果的障碍物形状,并与相同初始条件下目前工程应用中常用的障碍物进行了计算对比,结果表明,该三角形障碍物比矩形障碍物具有更显著的激波衰减效果。另外,还研究了平面入射激波与R22圆形气柱以及SF6重质梯形气柱与球形气泡的作用过程。数值结果清晰地显示了激波诱导R22气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性导致的重气柱变形过程,并对透射激波在气柱内聚焦诱导射流的过程进行了详细讨论,还对其中的K-H不稳定性作用下主涡滑移层失稳形成次级涡串的过程,以及气柱变形过程中与周围空气的混合机理和影响因素进行了研究。通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究,揭示了反射激波与变形气柱相互作用所诱导的双射流结构以及气柱内激波结构与变化过程。对激波与两种梯形截面SF6气柱相互作用过程进行了数值研究,分析对比了这两种梯形气柱的波系、涡量以及界面的演变。对平面入射激波诱导SF6重气泡变形失稳过程进行了数值研究,揭示了激波气柱内部聚焦诱导射流的机理,同时还讨论了射流头部结构变化和二次涡环的产生机理。