汇聚Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验与数值研究

发布时间：2018-03-18 02:24

  本文选题：RM不稳定性　切入点：汇聚激波　出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当不同密度流体的分界面受到激波的冲击加速后,界面上的初始扰动会随时间增长,在扰动发展的后期界面上生成许多小尺度涡,最终形成湍流混合,这种界面不稳定性被称作Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性。由于RM不稳定性在自然界和工程应用中广泛存在,国内外许多学者对其进行了大量的研究。目前为止,绝大多数的研究只关注平面RM不稳定性,关于汇聚RM不稳定性的研究开展得很少。然而,在武器内爆、惯性约束核聚变等重大工程应用中的界面不稳定性通常都是由汇聚激波冲击导致的。因此,本文新设计了一套半环形汇聚激波管,并利用该激波管实验研究汇聚激波与单模界面的相互作用。其次,本文开发了适用于多组分流动的高精度数值模拟程序HOWD(high order WENO and double-flux methods),并利用HOWD对汇聚RM不稳定性进行了初步的数值研究。最后,鉴于三维性对气柱演化的重要影响,本文利用HOWD数值研究了平面激波与三种(二维、三维凹、三维凸)气柱的相互作用,并分析了三维性对气柱演化的影响。在实验方面,本文设计、加工了一套半环形汇聚激波管,并基于激波管实验段的半柱形结构,设计了一套“抽屉”形界面生成装置,解决了汇聚激波管实验段里不易生成界面的难题,使得在该激波管设备里开展汇聚RM不稳定性的实验研究成为可能。激波管半环形段的压力测量结果以及汇聚激波传播的高速纹影图,验证了半环形汇聚激波管的可行性和可靠性。在半环形汇聚激波管里实现了汇聚RM不稳定性实验,首次获得了汇聚激波冲击下air/SF6单模界面的演化过程,并分析了汇聚RM不稳定性中三个特有的物理机制(Bell-Plesset(BP)效应、Rayleigh-Taylor(RT)效应、二次作用)对扰动发展的影响。随后,实验研究了不同初始条件(不同振幅、波数、激波强度)下界面的演化发展,分析初始条件对界面演化的影响。在数值模拟方面,本文开发了一套适用于多组分流动的高精度数值模拟程序HOWD,该程序实现了高阶WENO重构与双通量算法的耦合,不仅能准确模拟激波、物质界面等间断解,而且能够捕捉流场中的小涡结构,程序的可靠性得到了经典算例的验证。利用HOWD程序数值模拟汇聚RM不稳定性流动,发现在演化的后期,数值结果和实验结果有较大的差异,并分析了差异的原因。利用HOWD程序数值研究了平面激波与三维气柱的相互作用,计算结果和实验结果在定性和定量上均取得了较好的一致性,进一步验证了HOWD程序的可靠性。从数值结果中发现：在三维凹气柱的演化过程中,边界面上气柱的演化受到促进,对称面上气柱的演化受到抑制;而在三维凸气柱的演化过程中,边界面上气柱的演化受到抑制,对称面上气柱的演化受到促进。总之,本文设计了一套半环形汇聚激波管,并在该激波管中实验研究了汇聚激波与air/SF6单模界面的相互作用,发现汇聚RM不稳定性中三个特有的物理机制：BP效应、RT效应、二次作用,分析了三种机制对界面演化的影响。其次,系统研究了不用初始条件(不同扰动振幅、波数、激波强度)下单模界面的演化发展,分析了初始条件对界面演化的影响。最后,利用新开发的HOWD程序数值研究平面激波与三维气柱的相互作用,发现三维性对气柱演化有重要影响。
[Abstract]:When the interface between fluids of different density by the impact of shock acceleration, will increase with time of initial disturbances on the interface, in the late development of the interfacial turbulence generates many small eddies, and ultimately the formation of turbulent mixing, the instability of the interface is called Richtmyer-Meshkov (RM) instability. Due to the instability of RM exist widely in nature and Engineering in the application, many domestic and foreign scholars have done a lot of research on it. So far, most of the studies focus only on the plane RM instability, on the convergence of the RM instability developed little. However, in the arms of implosion in inertial confinement fusion and other major projects in the application of the interface instability is usually the impact caused by the converging shock wave. Therefore, this paper has designed a new set of semi annular converging shock tube, interaction and using the shock tube experimental study of converging shock wave and single mode interface 鐢，

本文编号：1627588