匯聚Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

1、當(dāng)不同密度流體的分界面受到激波的沖擊加速后，界面上的初始擾動(dòng)會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)，在擾動(dòng)發(fā)展的后期界面上生成許多小尺度渦，最終形成湍流混合，這種界面不穩(wěn)定性被稱(chēng)作Richtmyer-Meshkov(RM)不穩(wěn)定性。由于RM不穩(wěn)定性在自然界和工程應(yīng)用中廣泛存在，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。目前為止，絕大多數(shù)的研究只關(guān)注平面RM不穩(wěn)定性，關(guān)于匯聚RM不穩(wěn)定性的研究開(kāi)展得很少。然而，在武器內(nèi)爆、慣性約束核聚變等重大工程應(yīng)用中的界面不穩(wěn)定性通常

2、都是由匯聚激波沖擊導(dǎo)致的。因此，本文新設(shè)計(jì)了一套半環(huán)形匯聚激波管，并利用該激波管實(shí)驗(yàn)研究匯聚激波與單模界面的相互作用。其次，本文開(kāi)發(fā)了適用于多組分流動(dòng)的高精度數(shù)值模擬程序HOWD(high orderWENO and double-flux methods)，并利用HOWD對(duì)匯聚RM不穩(wěn)定性進(jìn)行了初步的數(shù)值研究。最后，鑒于三維性對(duì)氣柱演化的重要影響，本文利用HOWD數(shù)值研究了平面激波與三種（二維、三維凹、三維凸）氣柱的相互作用，并分析了

3、三維性對(duì)氣柱演化的影響。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，本文設(shè)計(jì)、加工了一套半環(huán)形匯聚激波管，并基于激波管實(shí)驗(yàn)段的半柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套“抽屜”形界面生成裝置，解決了匯聚激波管實(shí)驗(yàn)段里不易生成界面的難題，使得在該激波管設(shè)備里開(kāi)展匯聚RM不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究成為可能。激波管半環(huán)形段的壓力測(cè)量結(jié)果以及匯聚激波傳播的高速紋影圖，驗(yàn)證了半環(huán)形匯聚激波管的可行性和可靠性。
　　在半環(huán)形匯聚激波管里實(shí)現(xiàn)了匯聚RM不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，首次獲得了匯聚激波沖擊下a

4、ir/SF6單模界面的演化過(guò)程，并分析了匯聚RM不穩(wěn)定性中三個(gè)特有的物理機(jī)制(Bell-Plesset(BP)效應(yīng)、Rayleigh-Taylor(RT)效應(yīng)、二次作用）對(duì)擾動(dòng)發(fā)展的影響。隨后，實(shí)驗(yàn)研究了不同初始條件（不同振幅、波數(shù)、激波強(qiáng)度）下界面的演化發(fā)展，分析初始條件對(duì)界面演化的影響。
　　在數(shù)值模擬方面，本文開(kāi)發(fā)了一套適用于多組分流動(dòng)的高精度數(shù)值模擬程序HOWD，該程序?qū)崿F(xiàn)了高階WENO重構(gòu)與雙通量算法的耦合，不僅能準(zhǔn)確模

5、擬激波、物質(zhì)界面等間斷解，而且能夠捕捉流場(chǎng)中的小渦結(jié)構(gòu)，程序的可靠性得到了經(jīng)典算例的驗(yàn)證。利用HOWD程序數(shù)值模擬匯聚RM不穩(wěn)定性流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在演化的后期，數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的差異，并分析了差異的原因。
　　利用HOWD程序數(shù)值研究了平面激波與三維氣柱的相互作用，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在定性和定量上均取得了較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了HOWD程序的可靠性。從數(shù)值結(jié)果中發(fā)現(xiàn):在三維凹?xì)庵难莼^(guò)程中，邊界面上氣柱的演化受到促進(jìn)，對(duì)稱(chēng)面

6、上氣柱的演化受到抑制;而在三維凸氣柱的演化過(guò)程中，邊界面上氣柱的演化受到抑制，對(duì)稱(chēng)面上氣柱的演化受到促進(jìn)。
　　總之，本文設(shè)計(jì)了一套半環(huán)形匯聚激波管，并在該激波管中實(shí)驗(yàn)研究了匯聚激波與air/SF6單模界面的相互作用，發(fā)現(xiàn)匯聚RM不穩(wěn)定性中三個(gè)特有的物理機(jī)制: BP效應(yīng)、RT效應(yīng)、二次作用，分析了三種機(jī)制對(duì)界面演化的影響。其次，系統(tǒng)研究了不用初始條件（不同擾動(dòng)振幅、波數(shù)、激波強(qiáng)度）下單模界面的演化發(fā)展，分析了初始條件對(duì)界面演化的影