激波沖擊氣體界面不穩(wěn)定性和射流發(fā)展研究.pdf

1、Richtmyer-Meshkov(RM)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RM不穩(wěn)定性具有投資小、周期短、高時(shí)空分辨率診斷、實(shí)驗(yàn)條件易控等特點(diǎn)，受到世界各國的重視，并以此作為理解RM不穩(wěn)定性復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理和校驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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，

2、建立了氣體界面RM不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用實(shí)驗(yàn)、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(dòng)平面、氣柱界面和球形氣泡界面RM不穩(wěn)定性和射流發(fā)展過程。
　　RM不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方面，從尋找實(shí)驗(yàn)場地開始，建設(shè)了50 mm×50 mm、200 mm×100 mm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?，以及高速攝影、陰影和粒子圖像測速等測試技術(shù)，建成了用于激波沖擊氣體界面研究

3、的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、界面方法和測量系統(tǒng)，形成了系統(tǒng)研究RM不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?br>　　激波沖擊氣柱界面演化過程方面，圓形SF6氣柱實(shí)驗(yàn)表明，初始界面演化為對渦結(jié)構(gòu)，氣柱大小隨時(shí)間單調(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(shí)間而卷曲運(yùn)動(dòng)，可看作是上、下兩個(gè)點(diǎn)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，早期界面中間出現(xiàn)射流現(xiàn)象，后期

4、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(gè)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RM不穩(wěn)定性方面，單模態(tài)正弦界面不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，氣泡運(yùn)動(dòng)速度高于尖釘，擾動(dòng)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，尖釘翻轉(zhuǎn)成蘑菇頭形

5、狀，振幅增速降低，實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和非線性理論結(jié)果較好吻合。雙模態(tài)界面RM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(dòng)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，SF6氣泡演化逐漸出現(xiàn)激波碰撞，聚焦，向下游運(yùn)動(dòng)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。R12氣泡的演化過程與SF6相似

6、，只是流場特征結(jié)構(gòu)出現(xiàn)得更早。R22氣泡的特征結(jié)構(gòu)與SF6和R22氣泡類似，只是沒有出現(xiàn)二次渦環(huán)。Kr-0.83氣泡演化過程中由于聚焦時(shí)在界面下游極點(diǎn)的左、右兩側(cè)各出現(xiàn)一個(gè)高壓區(qū)，導(dǎo)致沒有出現(xiàn)射流。Kr氣泡演化過程中出現(xiàn)向氣泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)的射流結(jié)構(gòu)。定量分析表明，氣體密度越小，射流出現(xiàn)得越早。外射流初期速度比后期快，后期基本為常數(shù)。內(nèi)射流在后期的速度要小得多。聚焦時(shí)刻隨著氣體密度的減小而減小。隨著氣體密度的增加，聚焦時(shí)的最大壓力和最高密度單調(diào)

7、增加，總環(huán)量和斜壓力矩單調(diào)增加。二次波系產(chǎn)生的渦量明顯小于入射激波。
　　本文上述關(guān)于RM不穩(wěn)定性的理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究結(jié)果，為進(jìn)一步開展強(qiáng)激波、高密度比、匯聚加載，以及金屬界面不穩(wěn)定性研究，深入認(rèn)識(shí)界面不穩(wěn)定性內(nèi)在機(jī)理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為慣性約束聚變、天體物理等重要領(lǐng)域的不穩(wěn)定性研究提供了支撐。
　　本論文的部分研究內(nèi)容在國際或國內(nèi)屬于首次開展，其創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在:
　　1.從尋找實(shí)驗(yàn)場地開始，白手起家，建立了多套激波管

8、裝置和相應(yīng)的測量技術(shù)，在國內(nèi)首次掌握無膜氣柱界面和薄膜正弦界面生成方法，形成了系統(tǒng)地研究RM不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，獲得了兩項(xiàng)國家發(fā)明專利授權(quán)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
　　2.提出了橢圓氣柱界面RM不穩(wěn)定性問題，在國際上首次研究了七種長短軸比率的橢圓氣柱界面發(fā)展過程，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了大渦對、分叉、二次渦等新現(xiàn)象，深入認(rèn)識(shí)了渦的演化機(jī)理，數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，深化了物理認(rèn)識(shí)，得到了國外同行的認(rèn)可。
　　3.采用實(shí)驗(yàn)

9、、計(jì)算和理論相結(jié)合的方法，首次研究了非均勻流場中RM不穩(wěn)定性問題，表明初始流場非均勻性與初始擾動(dòng)振幅一樣，對于不穩(wěn)定性發(fā)展有重要影響，拓展了國際上以往關(guān)于流體力學(xué)RM不穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域，加深了對于復(fù)雜流動(dòng)中RM不穩(wěn)定性問題的認(rèn)識(shí)。
　　4.采用有限體積法程序，在國際上首次定量深入地研究了多種重氣泡演化過程中的射流問題，得到了系統(tǒng)可靠的計(jì)算結(jié)果，揭示了射流的產(chǎn)生機(jī)理，對于深入理解沖擊波與非均勻介質(zhì)作用時(shí)的激波聚焦和高速射流等問題有重