‘V’形界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

发布时间：2019-04-23 17:21

【摘要】：具有初始扰动的流体界面在受到激波冲击时,界面的扰动会随着时间不断增长,并最终发展为流体间的湍流混合,这种流体间的流动不稳定性现象就是著名的Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)。由于RMI在超燃冲压发动机、超新星爆发、燃烧转爆轰、惯性约束核聚变中的学术和工程应用价值,最近几十年世界各国都对其进行了大量的研究。目前关于RMI的研究无论是实验还是理论亦或数值模拟大多以单模小振幅的初始扰动界面为出发点,而对于多模大振幅初始扰动界面的研究并不充分。这主要是因为大振幅情况下的理论分析困难、实验研究中界面生成困难、数值模拟费用昂贵等原因。本文通过对不同振幅条件下'V'形界面RMI的实验、理论与数值研究,分析了振幅对界面演化以及波系发展的影响。在实验研究方面,采用改进的肥皂膜技术形成大振幅的初始界面,结合激波管进行相应的RMI研究。这种新的界面方法是基于先前的肥皂膜技术改进而来,通过将实验模型进行特殊处理,并在尖点处引入丝线控制,形成所需的不同振幅的'V'形初始界面。利用这种方法,本文开展了入射激波和反射激波与轻/重(空气/六氟化硫)以及入射激波与重/轻(空气/氦气)初始界面相互作用的研究,为大振幅无穷多模RMI的研究奠定了基础。在平面激波与轻/重初始'V'形界面的研究中,初始振幅的不同对激波与界面的作用以及激波过后界面的演化发展都有重要的影响。无论初始振幅的大小,初始界面都会先经历一个压缩阶段,而且压缩的比例大致相似。当激波过后,不同初始振幅的界面上沉积的涡量不同,涡量的不同会导致后续界面演化规律的不同,并且界面混合宽度的初始增长速率随初始角度的变化呈现先增长后衰减的的规律。在平面激波与重/轻初始'V'形界面的研究中,初始振幅不同激波与界面作用时产生的波系结构明显不同,在激波与界面接触后界面的尖端会立即形成'spike'结构,并且会出现在重/轻型界面中特有的反相过程。由于重/轻情况下界面在与激波作用后存储的涡量与轻重情况下相反,因此在重/轻情况下会有相对于轻/重界面较为明显的界面与肥皂膜分离的现象,并且界面在压缩反相之后的增长呈现出与轻/重情况下类似的规律。在反射激波与轻/重'V'形界面的实验研究中,通过在实验段末端增加固定端来产生反射激波。当反射激波与界面相互作用时,此时的'V'形界面在与初始激波作用后已经发展了一定时间,而且不同的初始振幅呈现出明显不同的结构,这时反射激波与演化发展中的'V'形界面相互作用会产生更为复杂的波系结构,不同的初始振幅情况下波系结构会有明显的差异。反射激波在与'V'形界面作用后,加速了流场向湍流状态的发展。在理论研究方面,本文基于先前的衰减因子理论,结合实验与数值结果,得到了关于'V'形轻/重界面初始混合宽度的线性增长规律,并得出了初始线性增长规律与初始波长振幅比之间的函数关系,从而找出线性增长规律的极值点。对于重/轻型界面,我们将这一理论与适用于重/轻模型的理论相结合,得到了类似的规律和极值点。根据由衰减因子得到的初始线性增长速率,利用前人的理论,'V'形界面的非线性发展阶段也得到了较好的预测。本文利用改进的肥皂膜技术系统地研究了初始扰动振幅对不同类型(轻/重、重/轻)界面RMI发展演化的影响,对前人的实验和理论研究分别做了改善和进一步发展。改进的成膜技术减少了固体膜以及支撑结构对流场演化的影响,激波作用后的界面发展对称性较好,能够为大振幅多模的理论研究以及数值模拟的验证提供基准。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O354.5
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本文编号：2463648