扰动激波冲击界面不稳定性：反射激波效应
发布时间：2021-06-28 19:00
通过平面激波绕刚体圆柱的方法形成扰动激波,采用无膜技术形成N2/SF6均匀界面,在竖式激波管中开展了扰动激波冲击界面Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性实验研究。针对3种不同的无量纲距离η（圆柱到界面距离与圆柱直径之比）情形,利用高速纹影技术及平面Mie散射技术,获得了反射激波二次冲击作用下的界面演化图像。前期工作（邹立勇等,2017）显示,入射激波冲击后,界面发展为包括中心气腔和两侧台阶的"Λ"形结构。研究结果表明:反射激波二次冲击后,"Λ"形界面首先经历相位反转,然后扰动逐渐发展增强。在η=2.0情形,界面演化为气泡,而当η=3.3和4.0时,在整体的气泡结构之外,界面中心发展为尖钉结构。获得了反射激波作用后的混合区宽度,并与理论模型结果进行了比较。在界面演化线性阶段,Meyer-Blewett（MB）线性模型结果和实验结果吻合较好。在界面演化非线性阶段,Dimonte-Ramaprabhu （DR）模型结果和实验结果吻合较好。特别地,当η=4.0时,理论与实验结果差别最小。
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
竖式激波管示意图
图2给出了实验采用的2种测试方法。图2(a）为高速纹影系统示意图，由氙灯光源（功率500 W）、狭缝、凹面镜（直径300mm，焦距3m）、刀口和高速摄像机（Photron FASTCAM，幅频取为6300帧/s）等组成。图2(b）为平面Mie散射系统示意图，重气体SF6从高压气瓶充入测试段上方的气箱中，通过转式测速仪和小型截止阀来控制流速。当气箱中SF6体积达到98%以上（通过SF6气体分析仪FT-103P监测）时，为便于观测，将烟雾发生器产生的白色乙二醇烟雾充入SF6气箱中。为了让SF6和乙二醇烟雾良好混合，烟雾喷嘴设计在气体箱的底部侧壁位置。需要说明的是，乙二醇烟雾与重气体体积比大约为1∶105，这意味着添加乙二醇烟雾对重气体的密度影响很小（低于0.1%）。实验中乙二醇烟雾颗粒直径约为0.5μm，其对SF6气体的良好跟随性已在Zou等[27]及Rightley等[28]的类似实验中得到验证）。实验时激光器发出的柱形激光（频率10kHz，波长532nm，脉宽10ns）通过一组透镜和反射镜后，转化为厚度约1mm的片光源，透过实验段底部玻璃窗照射流场，采用高速摄像机（Photron FASTCAM，幅频取为10 000帧/s）对界面演化过程进行拍摄，进而获得流场中界面演化结构图像。2 实验结果与讨论
图3给出了η=4.0情形下入射激波和反射激波冲击N2/SF6界面演化纹影像，关于入射阶段的界面演化规律，我们前期已有分析[22]，所以这里主要讨论反射阶段。令t=0 ms为反射激波刚好到达界面的时刻，由图可知，入射扰动激波由于在运动过程中的不断整形和致稳趋势，t=-0.12 ms时刻从激波管下端壁向上运动的反射激波的振幅已衰减至几乎为零，因而可以近似当作平面激波来处理。反射激波到达之前，界面演化为“Λ”形结构，两侧呈向下凹陷，中心有1个N2气腔。因此，反射激波作用后的界面演化过程可近似处理为平面激波诱导的经典RM不稳定性问题。反射激波从重流体SF6进入轻流体N2后，界面发生了相位反转，随后整体的“Λ”形界面演化成气泡，中间的气腔处形成尖钉。随着时间的推移，尖钉和气泡逐渐增长。t=1.47 ms时，界面下方可以看到一道来自下端壁的反射稀疏波，这道稀疏波将对界面演化产生影响。本文只考虑反射激波作用下的界面不稳定性问题，因此只对反射稀疏波到达界面前的实验结果进行分析。由于纹影观测技术沿光路方向有积分效应，为了获得更精细的实验图像，进一步采用平面Mie散射技术得到反射激波二次冲击N2/SF6界面演化图像（见图4）。可以看到，η=4.0情形下，反射激波作用之前，界面总体呈现为“Λ”形，中间上部为开口的N2气腔（实线圆圈区域），两侧各有一个界面台阶（虚线圆圈区域），这与图3观察到的结果是一致的。随着η的减小，气腔位置越来越深，面积逐渐减小，上部逐渐闭合。当η=2.0时，气腔几乎完全消失。反射激波冲击界面后，从图4中可以观察到与图3类似的相位反转以及随后的气泡和尖钉发展过程。当η=2.0时，界面演化总体上呈现为一个气泡结构，而当η=3.3和4.0时，在气泡之外，还出现了界面中心位置的尖钉结构；当η=3.3时，界面中心的尖钉结构相当明显，距离气泡结构很近，位于气泡上沿的下方；当η=4.0时，界面中心的尖钉则较为纤细，距离气泡结构较远，位于气泡上沿的上方。这是由不同η情形下反射激波冲击前的界面形状及位置差异造成的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]动爆冲击波传播特性实验研究[J]. 姬建荣,苏健军,陈君,陈皓,贾养育. 兵器装备工程学报. 2019(12)
[2]水下冲击波作用下双层壳结构响应特征研究[J]. 古滨,李炳南,姚熊亮,王志凯. 兵器装备工程学报. 2019(11)
[3]绕射激波和反射激波作用下N2/SF6界面R-M不稳定性实验研究[J]. 刘金宏,邹立勇,曹仁义,廖深飞,王彦平. 力学学报. 2014(03)
[4]反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究[J]. 张赋,翟志刚,司廷,罗喜胜. 实验流体力学. 2014(05)
[5]反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究[J]. 何惠琴,翟志刚,司廷,罗喜胜. 实验流体力学. 2014(06)
本文编号：3254874
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
竖式激波管示意图
图2给出了实验采用的2种测试方法。图2(a）为高速纹影系统示意图，由氙灯光源（功率500 W）、狭缝、凹面镜（直径300mm，焦距3m）、刀口和高速摄像机（Photron FASTCAM，幅频取为6300帧/s）等组成。图2(b）为平面Mie散射系统示意图，重气体SF6从高压气瓶充入测试段上方的气箱中，通过转式测速仪和小型截止阀来控制流速。当气箱中SF6体积达到98%以上（通过SF6气体分析仪FT-103P监测）时，为便于观测，将烟雾发生器产生的白色乙二醇烟雾充入SF6气箱中。为了让SF6和乙二醇烟雾良好混合，烟雾喷嘴设计在气体箱的底部侧壁位置。需要说明的是，乙二醇烟雾与重气体体积比大约为1∶105，这意味着添加乙二醇烟雾对重气体的密度影响很小（低于0.1%）。实验中乙二醇烟雾颗粒直径约为0.5μm，其对SF6气体的良好跟随性已在Zou等[27]及Rightley等[28]的类似实验中得到验证）。实验时激光器发出的柱形激光（频率10kHz，波长532nm，脉宽10ns）通过一组透镜和反射镜后，转化为厚度约1mm的片光源，透过实验段底部玻璃窗照射流场，采用高速摄像机（Photron FASTCAM，幅频取为10 000帧/s）对界面演化过程进行拍摄，进而获得流场中界面演化结构图像。2 实验结果与讨论
图3给出了η=4.0情形下入射激波和反射激波冲击N2/SF6界面演化纹影像，关于入射阶段的界面演化规律，我们前期已有分析[22]，所以这里主要讨论反射阶段。令t=0 ms为反射激波刚好到达界面的时刻，由图可知，入射扰动激波由于在运动过程中的不断整形和致稳趋势，t=-0.12 ms时刻从激波管下端壁向上运动的反射激波的振幅已衰减至几乎为零，因而可以近似当作平面激波来处理。反射激波到达之前，界面演化为“Λ”形结构，两侧呈向下凹陷，中心有1个N2气腔。因此，反射激波作用后的界面演化过程可近似处理为平面激波诱导的经典RM不稳定性问题。反射激波从重流体SF6进入轻流体N2后，界面发生了相位反转，随后整体的“Λ”形界面演化成气泡，中间的气腔处形成尖钉。随着时间的推移，尖钉和气泡逐渐增长。t=1.47 ms时，界面下方可以看到一道来自下端壁的反射稀疏波，这道稀疏波将对界面演化产生影响。本文只考虑反射激波作用下的界面不稳定性问题，因此只对反射稀疏波到达界面前的实验结果进行分析。由于纹影观测技术沿光路方向有积分效应，为了获得更精细的实验图像，进一步采用平面Mie散射技术得到反射激波二次冲击N2/SF6界面演化图像（见图4）。可以看到，η=4.0情形下，反射激波作用之前，界面总体呈现为“Λ”形，中间上部为开口的N2气腔（实线圆圈区域），两侧各有一个界面台阶（虚线圆圈区域），这与图3观察到的结果是一致的。随着η的减小，气腔位置越来越深，面积逐渐减小，上部逐渐闭合。当η=2.0时，气腔几乎完全消失。反射激波冲击界面后，从图4中可以观察到与图3类似的相位反转以及随后的气泡和尖钉发展过程。当η=2.0时，界面演化总体上呈现为一个气泡结构，而当η=3.3和4.0时，在气泡之外，还出现了界面中心位置的尖钉结构；当η=3.3时，界面中心的尖钉结构相当明显，距离气泡结构很近，位于气泡上沿的下方；当η=4.0时，界面中心的尖钉则较为纤细，距离气泡结构较远，位于气泡上沿的上方。这是由不同η情形下反射激波冲击前的界面形状及位置差异造成的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]动爆冲击波传播特性实验研究[J]. 姬建荣,苏健军,陈君,陈皓,贾养育. 兵器装备工程学报. 2019(12)
[2]水下冲击波作用下双层壳结构响应特征研究[J]. 古滨,李炳南,姚熊亮,王志凯. 兵器装备工程学报. 2019(11)
[3]绕射激波和反射激波作用下N2/SF6界面R-M不稳定性实验研究[J]. 刘金宏,邹立勇,曹仁义,廖深飞,王彦平. 力学学报. 2014(03)
[4]反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究[J]. 张赋,翟志刚,司廷,罗喜胜. 实验流体力学. 2014(05)
[5]反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究[J]. 何惠琴,翟志刚,司廷,罗喜胜. 实验流体力学. 2014(06)
本文编号：3254874
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