激波与柱形气体界面相互作用的实验及数值研究

发布时间：2020-05-29 17:50

【摘要】：当带有初始扰动的不同密度流体的分界面受到瞬时冲击力作用(如激波作用),这些初始扰动将在界面上沉积斜压涡量的诱导下,随着时间而不断增长和放大,最终形成湍流混合,这一现象就是著名的Richtmyer-Meshkov不稳定性(RM不稳定性)。鉴于RM不稳定性在超燃冲压发动机、超新星爆发及惯性约束核聚变等学术和工程实践领域中具有巨大的应用前景,国内外的专家学者在过去的几十年中对其进行了广泛而深入地研究,并取得了丰硕的研究成果。其中激波与气柱/气泡界面相互作用又被认为是RM不稳定性研究中最为经典和最为基本的一种构型,这类界面与激波作用的过程中,激波/界面夹角将涵盖0度到180度之间的所有角度,是研究激波与界面相互作用绝佳的对象。本文主要采用了实验和数值相结合的方法研究平面/汇聚激波冲击单个或多个圆形重气柱的过程,考察了实验Atwood数、气柱横纵比及气柱耦合对激波冲击后气柱演化规律的影响。实验分别在水平激波管和开口汇聚激波管中进行,通过肥皂膜技术生成二维性良好的圆形/椭圆形重气柱,并通过高速纹影系统记录下激波与气柱的相互作用过程。采用了数值计算程序HOWD和VAS2D对实验环境进行模拟,同时开发了一套基于Matlab数字图像处理程序对实验结果加以分析,以便获取更多流场信息进行补充。在单气柱研究中,本文主要探究了实验Atwood数及气柱横纵比对平面激波冲击后圆/椭圆形气柱演化规律的影响。结果表明实验Atwood数在很大程度上影响了气柱内外的波系结构,导致了不同激波聚焦形式的发生,聚焦后的高压作用于下游界面,下游界面将表现出不同的演化形态,如向内/外射流的生成;而射流的生成发展在初期主要依赖于激波聚焦后产生的压力脉动,后期则主要依赖于射流头部所沉积涡量的诱导。同样气柱横纵比也极大地影响了气柱内外的波系结构和激波聚焦,气柱下游界面产生了如二次涡对及向内射流这样的特殊结构;同时气柱横纵比会对激波冲击后界面上斜压涡量的沉积产生较大影响,在不同涡量的诱导下,界面演化形态和物质混合情况也存在较大差异。在双气柱研究中,本文主要探究了气柱耦合对平面/汇聚激波冲击后双圆形气柱演化规律的影响。结果表明双气柱的初始间隔很大程度上决定了后期双气柱的演化情况,双气柱的演化规律与单气柱情况有较大不同,在初始间隔较近双气柱的演化过程中,气柱耦合较为剧烈,导致气柱下游“蘑菇状”结构和弯曲射流结构的形成;而初始间隔较远双气柱的演化过程则更加类似于两单气柱,气柱耦合相对较弱。通过对比平面激波和汇聚激波冲击后气柱的演化规律,发现由于汇聚情况下多种效应(Bell-Plesset(BP)效应、非线性效应和气柱耦合等)的共同作用,两种情况存在较大差别。
【图文】：

图１．１邋ＲＭ不稳定性⑴（ａ），邋ＲＴ不稳定性（ｂ），邋ＫＨ不稳定性（ｃ）［图片源自维基百科及相逡逑关文献］逡逑

示意图,高速纹影,激波管,示意图

Ｎｏｒｔｈ邋Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ）以及一些光学元件（平面镜、纹影镜等）组成。相比于传统逡逑的Ｚ字型纹影光路，本文中的高速纹影系统引入了两面平面镜，，使得光可以垂逡逑直地通过水平实验段的观察窗，从而捕获激波／气柱的相互作用过程。逡逑对于汇聚部分的实验，则是在实验室最新研发的开口汇聚激波管中进行，逡逑如图２．２所示，其高低压段及转换段均与平面激波管类似，平面激波经过转换段逡逑后到达型线段，该段型线（内轮廓）是基于激波动力学理论＠］设计而成，可以逡逑将平面激波转变成柱状的汇聚激波，形成的汇聚激波随后进入汇聚段，同置于逡逑该处的气柱发生相互作用，高速纹影系统会记录下相互作用的全过程。与之前逡逑一些较为经典的汇聚激波管［７３＿７５］相比，本文所采用的开口汇聚激波管在激波汇逡逑聚点附近采用了开口处理，使得汇聚激波不会在汇聚点处发生反射，故而本文逡逑可以观察到较为后期的界面发展情况，同时该设计也有效地消除了一般汇聚激逡逑波管中存在的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ邋（ＲＴ）效应，使得本文可以对汇聚过程中的一些特逡逑殊效应（如ＢＰ效应）开展针对性分析。在本文的研宄中，汇聚激波的初始马赫逡逑数约为Ｍ产１．２８士０．０１，汇聚半径约为３００邋ｍｍ，汇聚角度为３０。。逡逑
【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】：2019
【分类号】：O354.5

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