匯聚激波生成及其與多邊形界面相互作用的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)一道激波穿過一個(gè)具有初始擾動(dòng)的流體分界面時(shí)，由于密度梯度和壓力梯度不重合，分界面上的擾動(dòng)逐漸增長，形成尖釘和氣泡結(jié)構(gòu)，界面兩側(cè)的流體不斷發(fā)生混合，最終形成湍流，這種現(xiàn)象被稱為RM（Richtmyer-Meshkov）不穩(wěn)定性。近些年，在強(qiáng)大的應(yīng)用背景驅(qū)動(dòng)下，RM不穩(wěn)定性研究日益受到重視，尤其是匯聚激波作用下的RM不穩(wěn)定性的研究工作更是備受關(guān)注。然而如何在實(shí)驗(yàn)室條件下形成柱狀匯聚激波，并用于研究RM不穩(wěn)定性，一直是學(xué)術(shù)界和工程界的難題。

2、因此，本文采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法開展了相關(guān)的研究工作。
　　本文基于Takayama的同軸匯聚激波管原理設(shè)計(jì)加工了一套用于生成環(huán)形匯聚激波的豎直式無膜激波管。與前人的工作相比，本文設(shè)計(jì)的激波管尺寸更小，采用更先進(jìn)的片光技術(shù)和界面生成技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用數(shù)值模擬對激波管進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證了激波管的可行性和可靠性。開展了初始馬赫數(shù)為1.17工況下的匯聚激波參數(shù)研究，得到了激波匯聚過程中實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力、密度等參數(shù)的定量數(shù)

3、據(jù)和變化規(guī)律，同時(shí)壓力測量結(jié)果表明激波管重復(fù)性較好。
　　搭建了一套紋影光路，并且利用高速攝影相機(jī)對流場進(jìn)行拍攝，得到了激波匯聚過程中的一系列實(shí)驗(yàn)照片。實(shí)驗(yàn)照片中的激波都是以實(shí)驗(yàn)段中心為圓心的同心圓，表明匯聚過程中激波始終為均勻?qū)ΨQ的圓柱形匯聚激波。匯聚激波運(yùn)行過程中滿足自相似關(guān)系，通過定量測量，得到本實(shí)驗(yàn)中匯聚激波的自相似指數(shù)α為0.836±0.005，與前人研究中的理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，通過實(shí)驗(yàn)測量得到的激波位置與時(shí)間、激波

4、馬赫數(shù)與激波位置的關(guān)系都與理論值吻合較好。
　　利用細(xì)絲約束肥皂膜技術(shù)在實(shí)驗(yàn)段中生成正八邊形、正方形、正三角形肥皂膜界面，數(shù)值模擬結(jié)果表明約束肥皂膜界面的細(xì)絲以及正方形和正三角形界面頂點(diǎn)處的小倒角對界面演化發(fā)展影響較小。
　　搭建片光系統(tǒng)，開展匯聚激波與正八邊形、正方形、正三角形SF6界面相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，利用高速攝影相機(jī)對流場進(jìn)行拍攝，得到一系列多邊形界面演化發(fā)展的實(shí)驗(yàn)照片，利用斜壓機(jī)制對界面演化過程進(jìn)行初步分析，結(jié)合數(shù)

5、值模擬結(jié)果探討界面形狀對擾動(dòng)發(fā)展的影響。結(jié)果表明多邊形界面在匯聚激波的作用下，演化結(jié)果非常對稱，這再一次驗(yàn)證了匯聚激波的對稱性。這幾種多邊形界面演化發(fā)展具有相似之處，在入射激波作用的情況下，界面首先受到壓縮，然后由于斜壓渦量的產(chǎn)生和積累，在界面頂點(diǎn)位置都出現(xiàn)尖釘結(jié)構(gòu)，邊界中心位置則出現(xiàn)起泡結(jié)構(gòu)。為了方便討論，把多邊形每條邊中心位置稱為邊界中心，而界面的幾何中心與匯聚中心和實(shí)驗(yàn)段中心是重合的，因此文中用匯聚中心和實(shí)驗(yàn)段中心代替界面幾何中心

6、。當(dāng)反射激波與界面相互作用后，三種界面都出現(xiàn)了反相的現(xiàn)象，界面頂點(diǎn)位置的尖釘結(jié)構(gòu)受到反射激波產(chǎn)生的渦量影響，逐漸發(fā)展成氣泡結(jié)構(gòu)，而邊界中心位置的起泡結(jié)構(gòu)則發(fā)展成尖釘結(jié)構(gòu)。利用數(shù)值程序?qū)ι鲜鋈N界面進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的前期演化結(jié)果在定性和定量兩方面都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，正方形界面后期結(jié)果不太吻合的原因是肥皂膜界面內(nèi)SF6氣體受到污染。
　　通過環(huán)量分析，推斷多邊形界面演化過程中，流場渦量生成情況。結(jié)果表明在入射匯聚激波作用下，邊數(shù)