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流体交界面在流体力与外力共同作用下,发生复杂形变,形成不同尺度的动力结构,从而影响流体之间的传质传热,在流体力学中备受关注。对于互相掺混的层流,初始交界面在浮力驱动不稳定性的作用下发生形变,生成“盐指”等小尺度动力结构,并影响上下层流之间的物质传导。对于不相掺混层流之间的交界面,最为常见的是上层为理想空气的自由液面:当物体在水面下方运动时,会在自由液面上形成波浪结构,并反作用于运动物体。另外一种不相掺混流体界面是在水下物体高速运动的过程中形成的空泡表面:水蒸气在物体表面局部低压区形成空泡,并且在流体力的作用下生长、脱落与溃灭,其尾部回流区的反射流结构不仅对物体表面形成侵蚀,还会影响空泡内部的流动结构。 本文针对流体界面不同尺度的动力结构,分析其在不同类型流体交界面上的形成机理及作用。对不同类型的流体界面,需采用不同的数值方法模拟不同参数下界面处动力结构的形成与发展过程,从而分析其对传质传热或结构受力的影响。 作为典型的互相掺混层流,温盐层流中上层温盐水与下层冷水之间的界面会在浮力驱动不稳定性的作用下发生形变,产生“盐指”与“密度指”等现象,并影响温度与盐度的混合速度。第三章使用自行研发的非线性代码求解流函数形式下温盐层流的控制方程,数值模拟层流界面不稳定动力结构的形成与发展过程。 自由液面是最常见的一种气液交界面。当有物体在水面附近运动时,会导致自由液面的形变,生成波浪动力结构,并且反过来影响物体的水动力表现。为了研究这一现象,第四章使用VOF方法捕捉几种具有不同外形的常见鱼类在水下的滑翔运动时的自由液面形变,定性分析鱼类外形对自由液面波浪结构的影响。 水下航行体在高速运动时,局部压力低于饱和压力,产生水蒸气,从而在航行体表面形成水蒸气气泡,即空泡。空泡的尾端封闭区域,在逆压梯度的作用下,产生小尺度的回射流结构,可能影响空泡内部的流动结构。第五章使用VOF方法与Sauer-Schnerr空化模型模拟轴对称空化器后的空化流,并分析空化器旋转对空泡形状以及回射流作用下空泡内部流动的影响。