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基于CFD的激波与气泡相互作用数值研究及应用拓展

一、引言

1.1研究背景与意义

激波与气泡相互作用是流体力学中一个极具挑战性且充满魅力的研究课题，在众多科学与工程领域中扮演着关键角色。当激波与气泡相遇时，由于两者在热力学属性上的显著差异，会引发一系列复杂而又独特的物理现象。这些现象不仅涉及到激波的反射、透射以及气泡的变形、振荡和破裂，还会导致流场中产生强烈的涡旋、湍流以及物质混合，其背后蕴含的物理机制极为复杂，吸引了众多科研人员的深入探索。

在惯性约束核聚变（ICF）领域，激波与气泡相互作用的研究具有举足轻重的地位。在ICF实验中，激光或粒子束照射靶丸，会产生强烈的激波，这些激波与靶丸内的燃料气泡相互作用。其相互作用过程直接影响着燃料的压缩和加热效率，进而决定了核聚变能否成功点火以及能量的释放效率。若能深入理解并精确控制这一过程，将为ICF技术的发展提供关键支撑，推动人类向实现可控核聚变能源迈出重要一步。

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的关键动力装置，其性能的优劣直接关系到飞行器的飞行速度和航程。在超燃冲压发动机的燃烧室内，燃料以气泡的形式喷射进入高速气流中，与激波相互作用。这一相互作用过程对燃料与空气的混合均匀性和燃烧效率起着决定性作用。高效的混合和快速的燃烧是提高发动机性能的关键，因此，深入研究激波与气泡在超燃冲压发动机中的相互作用，对于优化发动机设计、提高燃烧效率、降低燃料消耗具有重要意义，有助于推动高超声速飞行器技术的发展。

在天体物理领域，激波与气泡相互作用现象也广泛存在。例如，在超新星爆发过程中，强大的激波会与星际介质中的气泡相互作用。这种相互作用不仅会影响星际物质的分布和运动，还对恒星的形成和演化产生深远影响。通过研究激波与气泡在超新星爆发中的相互作用，可以帮助我们更好地理解宇宙中物质的循环和演化过程，揭示恒星诞生和死亡的奥秘，为天体物理学的发展提供重要的理论依据。

数值研究作为一种重要的研究手段，在激波与气泡相互作用的研究中发挥着不可替代的作用。与实验研究相比，数值模拟具有诸多优势。它不受实验条件的限制，可以灵活地改变各种参数，如激波强度、气泡尺寸、流体性质等，从而全面系统地研究不同条件下激波与气泡相互作用的规律。数值模拟能够提供详细的流场信息，如压力、速度、密度等物理量的分布，这些信息在实验中往往难以直接测量。通过数值模拟，我们可以深入了解激波与气泡相互作用的内在物理机制，揭示其中的复杂流动现象。数值模拟还可以对实验结果进行预测和验证，为实验设计提供指导，减少实验成本和时间。因此，开展激波与气泡相互作用问题的数值研究，对于深入理解其物理本质、推动相关领域的技术发展具有重要的科学意义和实际应用价值。

1.2研究现状

激波与气泡相互作用这一研究领域，多年来一直是众多科研人员关注的焦点，在数值模拟和实验研究两个方面都取得了丰富的成果，推动着我们对这一复杂物理现象的认识不断深入。

在数值模拟方面，随着计算机技术的飞速发展和计算流体力学（CFD）方法的不断完善，数值模拟已成为研究激波与气泡相互作用的重要手段。早期的数值模拟主要采用简单的计算方法和模型，对激波与气泡相互作用的模拟精度和分辨率有限。随着数值算法的不断创新和改进，如高阶精度格式、自适应网格技术、多物质界面捕捉方法等的发展，数值模拟能够更加准确地捕捉激波与气泡相互作用过程中的复杂物理现象，如激波的反射、透射、绕射，气泡的变形、振荡、破裂以及流场中的涡旋和湍流等。

目前，常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限体积法、有限元法等。有限差分法是将计算区域离散为网格点，通过差分近似来求解控制方程，具有计算效率高、编程实现相对简单等优点，在早期的激波与气泡相互作用数值模拟中得到了广泛应用。但该方法在处理复杂边界和多物质界面时存在一定的局限性。有限体积法将计算区域划分为一系列控制体积，通过对控制体积内的物理量进行积分来求解控制方程，该方法具有守恒性好、对复杂边界适应性强等优点，在现代CFD计算中占据主导地位。有限元法则是将计算区域离散为有限个单元，通过对单元内的物理量进行插值和变分求解来得到控制方程的解，该方法在处理复杂几何形状和高精度计算方面具有优势，但计算量较大，计算效率相对较低。

为了更好地模拟激波与气泡相互作用过程中的多尺度和多物理场耦合现象，一些先进的数值模拟技术也被不断引入，如大涡模拟（LES）、直接数值模拟（DNS）、浸入边界法（IBM）等。大涡模拟通过对大尺度涡旋进行直接模拟，对小尺度涡旋采用亚格子模型进行模拟，能够在一定程度上捕捉到流场中的湍流特性，为研究激波与气泡相互作用过程中的湍流混合现象提供了有力工具。直接数值模拟则是对所有尺度的涡旋进行直接求解，不引入任何模型假设，能够得到最准确的流场信息，但由于计算量巨大，目前仅适用于低雷诺数