平面激波与多边形气柱相互作用的实验研究

发布时间：2017-08-23 08:08

  本文关键词：平面激波与多边形气柱相互作用的实验研究

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【摘要】：近几十年来,在惯性约束核聚变和超燃冲压发动机的应用背景驱动下,Richtmyer-Meshkov不稳定性(简称RM不稳定性)得到了广泛和深入的研究。RM不稳定性是一种冲击加速下的流体界面不稳定现象,即具有初始扰动的界面经受冲击之后,在密度梯度和压力梯度不共线引起的斜压涡量的作用下,界面上的扰动随时间不断增大并最终导致界面两边流体的湍流混合。作为RM不稳定性研究的一个重要类型,激波与气泡(气柱)相互作用同样受到各国研究者的关注。在实验研究中,由于界面生成的困难,目前国际上气泡(气柱)的形状主要集中在球形和圆柱形,且除了方形SF6界面,对于其他多边形(气柱)界面还没有进行实验研究。本文实验和计算研究了平面激波与多种形状多边形(气柱)界面的相互作用过程,具体工作如下： 首次运用细针约束肥皂膜的方法形成了满足激波管实验的多边形气体界面,此方法可以形成任意形状的多边形界面。结合实验和计算手段对生成的界面中存在的倒角和细针对流场的影响进行了评估,结果显示倒角和细针不会影响界面的大尺度演化。分析并计算了生成的肥皂膜界面在竖直方向上存在的变形大小,表明降低激波管内腔竖直方向的高度可以明显减小肥皂膜竖直方向上的变形。运用此界面形成方法形成了六种典型形状(正方形,两种长方形,两种不同朝向的正三角形,菱形)的重气体界面和三种形状(正方形,正三角形,菱形)轻气体界面用于激波管实验研究。 采用高速相机和纹影显示技术在一次实验中拍摄多幅照片的方式显示激波和多边形界面相互作用的整个过程,保证了实验初始条件的一致性。运用气体动力学原理和数值程序确定了实验中多边形初始界面内的气体成分,为数值计算提供了完整的初始条件。对于轻气体界面,采用较重的气体组合(SF6中的N2气柱)可以避免轻气体穿透肥皂膜导致的污染和肥皂膜质量与气体质量相当引起的拖慢效应,使实验结果与相应的计算结果符合得更好。 实验和计算结果显示,激波与多边形气体界面相互作用会产生复杂的波系现象,可以用来研究激波在界面上的折射现象。对于重气体界面,界面内形成的折射激波与透射激波(或折射激波间)相互作用,形成新的弧形激波、马赫杆以及三波点结构；对于轻气体界面,相似的波系现象会在界面外出现。首次实验验证了激波与界面相互作用过程中出现的不同类型的非规则折射之间的转变。对于重气体界面,激波在三角形2界面上的非规则折射会出现从FPR (Free Precursor Refraction)到FNR (Free precursor von Neumann Refraction)的转变；对于轻气体界面,激波在菱形界面上的非规则折射会出现从FNR到FPR再到TNR(Twin von Neumann Refraction)的转变。 计算结果显示,多边形界面顶点涡的卷起主要受流场中分布的涡量诱导引起。对于重气体界面,不同界面内形成的不同激波相遇位置不同,导致在界面下游产生不同的不稳定现象：正方形界面会在下游界面有一个强射流,三角形1有一个较弱的射流,长方形2界面有两个较弱的射流,长方形1、三角形2以及菱形界面会在上下边界形成二次涡对。
【关键词】：平面激波 多边形气体界面 Richtmyer-Meshkov 不稳定性 涡量射流
【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】：2015
【分类号】：O354.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 插图目录11-17
• 表格目录17-18
• 第1章 引言18-32
• 1.1 研究背景与Richtmyer-Meshkov不稳定性18-20
• 1.2 研究现状20-29
• 1.2.1 单模和多模界面20-23
• 1.2.2 气泡和气柱23-29
• 1.3 本文研究内容与结构安排29-32
• 第2章 实验和数值方法32-46
• 2.1 多边形肥皂膜气柱界面的生成32-36
• 2.2 激波及激波管36-40
• 2.2.1 激波的形成36-37
• 2.2.2 激波管37-39
• 2.2.3 激波管实验段边界层厚度估计39-40
• 2.3 流场显示40-42
• 2.4 数值方法42-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第3章 初始条件46-54
• 3.1 肥皂膜界面三维性46
• 3.2 肥皂膜多边形界面中倒角和细针对流场的影响46-50
• 3.2.1 激波冲击肥皂膜正方形空气柱的实验结果47
• 3.2.2 正方形顶点倒角对界面发展的影响47-49
• 3.2.3 倒角和细针对正方形顶点处涡的卷起的影响49-50
• 3.3 多边形肥皂膜气柱初始界面内气体组分的确定50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 激波与多边形重气柱相互作用54-80
• 4.1 界面形态演化54-67
• 4.1.1 正方形界面54-59
• 4.1.2 长方形界面59-62
• 4.1.3 三角形界面62-66
• 4.1.4 菱形界面66-67
• 4.2 波系及其特征67-72
• 4.2.1 激波形态68-70
• 4.2.2 特征波的运动速度70-72
• 4.3 初始界面形状对RM不稳定性演化的影响72-77
• 4.3.1 界面特征的量化72-75
• 4.3.2 环量75-77
• 4.4 本章小结77-80
• 第5章 激波与多边形轻气柱相互作用80-98
• 5.1 激波与多边形氦气柱相互作用80-85
• 5.2 激波与多边形N_2柱相互作用85-96
• 5.2.1 界面形态与特征86-93
• 5.2.2 波系及其特征93-96
• 5.3 本章小结96-98
• 第6章 总结与展望98-102
• 6.1 结论98-99
• 6.2 创新点99-100
• 6.3 研究不足和下一步工作100-102
• 参考文献102-107
• 附录A 多边形肥皂膜界面的三维性107-114
• 附录B 多边形气柱内气体组分的确定114-118
• 附录C 肥皂膜的气体穿透性118-120
• 附录D 关于实验的一些说明120-122
• 致谢122-124
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果124

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;Numerical study on the evolution of the shock-accelerated SF_6 interface:Influence of the interface shape[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2012年02期

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本文编号：723910