有限远来流非对称碰撞形成射流研究.pdf

[文章编号】 1001．246x(2008)04．0401：06 有限远来流非对称碰撞形成射流研究 石艺娜， 秦承森， 冯其京， 杭义洪 (北京应用物理与计算数学研究所，北京 I00088) [摘要】 研究距离交汇点有限远的两股平面金属来流非对称碰撞的射流形成规律，给出出流厚度和流动方向 的理论公式．并采用带有Y0uNGS界面处理的高精度欧拉程序进行仿真验证，与KS喷管实验结果比较，符合较 好．研究表明：当碰撞角确定时，来流初始位形对杵体的流动状态有重要影响，对细射流的影响不明显。 [关键词】 有限远来流；非对称碰撞；射流；解析理论；数值仿真 [中图分类号】 0358 [文献标识码】 A O 引言 两股来流非对称碰撞形成射流问题，是高速碰撞研究中的基础性课题，具有广泛的应用背景．近几十年 来，大多数工作集中于对称或近似对称几何构形下射流的形成研究，但在实际碰撞过程中，由于射流装置的 初始不对称性，以及来流厚度、速度、密度等非对称因素的影响，有侧向运动和能量耗散产生，会引起射流侵 彻能力急剧下降；此外，在空间飞行的不等厚度金属平板高速斜碰撞方面的应用，使得近年来非对称射流形 成研究受到了普遍关注． 对于这一问题，目前由于实验条件限制，除了少数实验结果外，主要是采用解析模型和数值方法进行理 要影响，不同的来流初始状态，出流结果不同，并且是稳定的；Drennov比1金属平板高速斜碰撞实验指出：凝聚 依赖于来流初始构形、材料强度和可压缩性等．在解析理论研究中，不考虑来流的非定常相互作用过程，而确 定定常的出流终态是问题的关键，研究的难点在于定常解的不确定性，即：定常条件下，由守恒关系建立的方 程组不封闭，需要补充约束条件．已有模型如PC直线模型b—J、圆弧模型1以及各种修正模型隋J1等都是根据 射流形成的局部物理图像提出不同的假设，来封闭方程，很难在较宽的范围内预测射流的形成；而对于来流 初始碰撞和射流形成等大变形过程的动力学模拟，要求计算程序具有高精度，并且能够清晰地捕捉界面． IJa呲nce[1们采用线性微扰理论，研究了二维环形无粘流非对称碰撞形成射流问题，给出了封闭形式的解析 解；秦承森等人¨1o建立了距离交汇点无限远来流非对称碰撞形成射流的几何理论，预测结果表明，来流的不 同初始位形决定了杵体和射流的出流终态，但由于实验条件难以实现，无法在实验中加以验证． 本文研究在距离交汇点有限远的平面来流碰撞过程中，杵体和射流的形成规律，给出出流厚度和流动方 向的解析公式，并采用带有YOUNGS界面处理的欧拉程序进行模拟验证；结合KS喷管实验，讨论了碰撞角、 来流初始位形和厚度比等因素对出流终态的影响．本文理论与已有模型相比，预测范围更宽、也更为准确． 1有限远来流非对称碰撞形成射流理论 1．1解椭圆和封闭条件 【收稿日期】2嘶一03一∞；[修回日期】20们一ll一∞ [基金项目】中国工程物理研究院科学技术基金重点(2007A09001)及NsAF联合重点基金资助项目 计 算 物 理 第25卷 方向的单位矢量，P。为来流碰撞角口。的角分线方向．两股来流按 某一初始位形交汇，相互作用，最终形成稳定的终态射流，是一个 非定常流趋向定常流的过程．平面二维不可压缩流体的定常无旋 流方程为 V·皿=0． V(譬+詈)=o． q’ 假设离射流交汇点。足够远处压力为零，则在定常条件下， 可以得出沿流线的出流速度等于入流速度，即u，=u。=u．选取 图l初始来流和出流射流 半径足够大的控制面s，设pi。=O(i=1，2，3，4)，方程(1)可写为 and nows Fig．1Incomingoutgoing 4J+A2=A A1 (2) 3+A4=20，Pi+A2P2=A3口3+A4P4=2c口。， 其中口，c为常数，P，为来流矢量A。F。，A：e