激波沖擊氣體界面不穩(wěn)定性和射流發(fā)展研究

1、激波沖擊氣體界面不穩(wěn)定性和射流發(fā)展研宄A S t u d y o nI n s t a b i l i t ya n d J e tD e v e l o p m e n t o fS h o c k ．A c c e l e r a t e dG a s I n t e r f a c eA D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e d t oC h i n a A c a d e m y o fE

2、 n g i n e e r i n gP h y s i c sF o r D o c t o r ’SD e g r e e i nE n g i n e e r i n gA u t h o r ：Z o u L i y o n gS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o r L i u C a n g l iP r o f s ．T a nD u o w a n g ，B a i J i n g

3、s o n gI n s t i t u t eo f F l u i dP h y s i c sC h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c sM i a n y a n g ，S i c h u a nJ U N E 。2 0 1 2激波沖擊氣體界面不穩(wěn)定性和射流發(fā)展研究摘 要R i c h t m y e r - M e s h k o v ( R M

4、 ) 不穩(wěn)定性是慣性約束聚變、尖端武器和天體物理等領(lǐng)域的重要問題，具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用背景。激波管研究R M 不穩(wěn)定性具有投資小、周期短、高時空分辨率診斷、實驗條件易控等特點，受到世界各國的重視，并以此作為理解R M 不穩(wěn)定性復(fù)雜流動機(jī)理和校驗程序的重要手段，目前國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在數(shù)值模擬方面，實驗研究很少。本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，白手起家，克服了很大困難，建立了氣體界面R M 不穩(wěn)定性實驗平臺，

5、采用實驗、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了在激波沖擊作用下，正弦小擾動平面、氣柱界面和球形氣泡界面R M 不穩(wěn)定性和射流發(fā)展過程。R M 不穩(wěn)定性實驗平臺建設(shè)方面，從尋找實驗場地開始，建設(shè)了5 0 r a i n ×5 0m i l l 、2 0 0 m r n ×1 0 0m i l l 等多種截面的激波管裝置，探索掌握了無膜初始?xì)庵缑婧捅∧ふ页跏冀缑娣椒ǎ约案咚贁z影、陰影和粒子圖像測速等測試技術(shù)

6、，建成了用于激波沖擊氣體界面研究的實驗設(shè)備、界面方法和測量系統(tǒng)，形成了系統(tǒng)研究R M 不穩(wěn)定性的實驗?zāi)芰Α＜げ_擊氣柱界面演化過程方面，圓形s F 。氣柱實驗表明，初始界面演化為對渦結(jié)構(gòu)，氣柱大小隨時問單調(diào)增加，寬度比高度增加得更快。橢圓形氣柱研究表明，長短軸比率最小的情況下，渦的產(chǎn)生主要集中在上緣和下緣，且隨著時間而卷曲運動，可看作是上、下兩個點渦演化機(jī)制，最后發(fā)展為大渦對結(jié)構(gòu)。長短軸比率最大的情形，很大的渦量沿著很長的界面上產(chǎn)生，早

7、期界面中間出現(xiàn)射流現(xiàn)象，后期演化出二次渦和分叉結(jié)構(gòu)。速度場結(jié)果表明，速度最大值出現(xiàn)在氣柱中部對稱軸上，流向速度呈上、下對稱分布，法向速度呈上、下反對稱分布。長短軸比率越大，產(chǎn)生的渦量越大，匯聚效應(yīng)更強(qiáng)，兩個渦核的間距更小，速度場最大值越大，氣柱界面的發(fā)展和變形越快。正弦界面R M 不穩(wěn)定性方面，單模態(tài)正弦界面不穩(wěn)定性實驗表明，氣泡運動速度高于尖釘，擾動振幅經(jīng)歷了快速增長和增速減緩階段，界面發(fā)展初期線性階段振幅快速增長，中期由于界面斜壓渦

8、，尖釘翻轉(zhuǎn)成蘑菇頭形狀，振幅增速降低，實驗、計算和非線性理論結(jié)果較好吻合。雙模態(tài)界面R M 不穩(wěn)定性中，研究了均勻和非均勻流場中不穩(wěn)定性演化的區(qū)別，表明初始流場的非均勻性與初始擾動幅度一樣，對于不穩(wěn)定性發(fā)展過程有重要的影響。氣泡界面演化和射流發(fā)展方面，數(shù)值模擬研究了激波與重氣泡的相互作用過程，S F 6氣泡演化逐漸出現(xiàn)激波碰撞，聚焦，向下游運動的射流，主渦環(huán)，二次渦環(huán)，射流蘑菇頭頸縮和斷開，二次渦環(huán)和射流頭部消失等現(xiàn)象。R 1 2 氣泡