‘V’形界面的Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性研究.pdf

1、具有初始擾動(dòng)的流體界面在受到激波沖擊時(shí)，界面的擾動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，并最終發(fā)展為流體間的湍流混合，這種流體間的流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象就是著名的Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性(RMI)。由于RMI在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超新星爆發(fā)、燃燒轉(zhuǎn)爆轟、慣性約束核聚變中的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價(jià)值，最近幾十年世界各國(guó)都對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。目前關(guān)于RMI的研究無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是理論亦或數(shù)值模擬大多以單模小振幅的初始擾動(dòng)界面為出發(fā)點(diǎn)，而對(duì)于多模大振幅初始擾動(dòng)界

2、面的研究并不充分。這主要是因?yàn)榇笳穹闆r下的理論分析困難、實(shí)驗(yàn)研究中界面生成困難、數(shù)值模擬費(fèi)用昂貴等原因。本文通過(guò)對(duì)不同振幅條件下‘V’形界面RMI的實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值研究，分析了振幅對(duì)界面演化以及波系發(fā)展的影響。
　　在實(shí)驗(yàn)研究方面，采用改進(jìn)的肥皂膜技術(shù)形成大振幅的初始界面，結(jié)合激波管進(jìn)行相應(yīng)的RMI研究。這種新的界面方法是基于先前的肥皂膜技術(shù)改進(jìn)而來(lái)，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行特殊處理，并在尖點(diǎn)處引入絲線控制，形成所需的不同振幅的‘V’

3、形初始界面。利用這種方法，本文開(kāi)展了入射激波和反射激波與輕/重（空氣/六氟化硫）以及入射激波與重/輕（空氣/氦氣）初始界面相互作用的研究，為大振幅無(wú)窮多模RMI的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　在平面激波與輕/重初始‘V’形界面的研究中，初始振幅的不同對(duì)激波與界面的作用以及激波過(guò)后界面的演化發(fā)展都有重要的影響。無(wú)論初始振幅的大小，初始界面都會(huì)先經(jīng)歷一個(gè)壓縮階段，而且壓縮的比例大致相似。當(dāng)激波過(guò)后，不同初始振幅的界面上沉積的渦量不同，渦量的不

4、同會(huì)導(dǎo)致后續(xù)界面演化規(guī)律的不同，并且界面混合寬度的初始增長(zhǎng)速率隨初始角度的變化呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后衰減的的規(guī)律。
　　在平面激波與重/輕初始‘V’形界面的研究中，初始振幅不同激波與界面作用時(shí)產(chǎn)生的波系結(jié)構(gòu)明顯不同，在激波與界面接觸后界面的尖端會(huì)立即形成‘spike’結(jié)構(gòu)，并且會(huì)出現(xiàn)在重/輕型界面中特有的反相過(guò)程。由于重/輕情況下界面在與激波作用后存儲(chǔ)的渦量與輕重情況下相反，因此在重/輕情況下會(huì)有相對(duì)于輕/重界面較為明顯的界面與肥皂膜分離的

5、現(xiàn)象，并且界面在壓縮反相之后的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出與輕/重情況下類似的規(guī)律。
　　在反射激波與輕/重‘V’形界面的實(shí)驗(yàn)研究中，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)段末端增加固定端來(lái)產(chǎn)生反射激波。當(dāng)反射激波與界面相互作用時(shí)，此時(shí)的‘V’形界面在與初始激波作用后已經(jīng)發(fā)展了一定時(shí)間，而且不同的初始振幅呈現(xiàn)出明顯不同的結(jié)構(gòu)，這時(shí)反射激波與演化發(fā)展中的‘V’形界面相互作用會(huì)產(chǎn)生更為復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)，不同的初始振幅情況下波系結(jié)構(gòu)會(huì)有明顯的差異。反射激波在與‘V’形界面作用后，加速

6、了流場(chǎng)向湍流狀態(tài)的發(fā)展。
　　在理論研究方面，本文基于先前的衰減因子理論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果，得到了關(guān)于‘V’形輕/重界面初始混合寬度的線性增長(zhǎng)規(guī)律，并得出了初始線性增長(zhǎng)規(guī)律與初始波長(zhǎng)振幅比之間的函數(shù)關(guān)系，從而找出線性增長(zhǎng)規(guī)律的極值點(diǎn)。對(duì)于重/輕型界面，我們將這一理論與適用于重/輕模型的理論相結(jié)合，得到了類似的規(guī)律和極值點(diǎn)。根據(jù)由衰減因子得到的初始線性增長(zhǎng)速率，利用前人的理論，‘V’形界面的非線性發(fā)展階段也得到了較好的預(yù)測(cè)。