柱形界面Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性研究.pdf

1、界面不穩(wěn)定性是流體力學的普遍現(xiàn)象，當流體界面受到?jīng)_擊作用時，由于密度梯度與壓力梯度的不重合導致斜壓渦量的產(chǎn)生，界面上的初始擾動會隨著時間不斷增長，并最終引起湍流混合，這種流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象稱為Richtmyer-Meshkov(RM)不穩(wěn)定性。由于RM不穩(wěn)定性在渦動力學以及湍流形成機理等方面有著重要的學術意義，同時在慣性約束核聚變以及超燃沖壓發(fā)動機等方面也具有重要的工程意義，世界各國對其開展了大量研究工作。激波與氣柱相互作用是RM不穩(wěn)定性

2、研究的經(jīng)典問題，其界面生成方式主要是無膜氣柱以及高分子膜界面，但均有一定的局限性;同時目前激波-氣柱相互作用主要集中在二維氣柱，對于三維氣柱的RM不穩(wěn)定性問題研究較少。
　　本文通過環(huán)約束肥皂膜方法形成柱形界面，克服了無膜氣柱以及高分子膜界面的問題，同時研究了激波與三維氣柱（凹、凸）的相互作用，分析了界面的三維特性對RM不穩(wěn)定性演化的影響。在界面生成方面，基于肥皂膜技術提出了環(huán)約束界面的方法。通過鑲嵌在上下壁面的圓環(huán)對肥皂膜界面進

3、行約束，形成的肥皂膜界面具有初始形狀精確可控等特點，同時減少了界面兩側(cè)氣體的相互交換以及界面碎片對流場的干擾。在二維氣柱的基礎上，通過控制界面內(nèi)氣體壓強的方法形成了三維柱形界面（凹、凸），為三維柱形RM不穩(wěn)定性的研究奠定了基礎。二維柱形RM不穩(wěn)定性研究中，在馬赫數(shù)為1.2的平面激波下，利用高速紋影技術對激波與Air/SF6柱形界面以及SF6/N2柱形界面的相互作用過程進行了實驗研究。輕氣體界面中采用較重的氣體組合(SF6/N2)有效地減

4、小了相對質(zhì)量較大的肥皂膜對界面發(fā)展產(chǎn)生的影響。實驗中明顯發(fā)現(xiàn)流場的外部干擾減小，同時觀測到了新的流場結(jié)構(gòu)。對實驗結(jié)果進行了分析討論，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好;同時將實驗結(jié)果與一維氣體動力學預測結(jié)果進行比較，兩者吻合也較好，驗證了環(huán)約束方法形成肥皂膜界面的可行性。三維柱形（凹、凸）RM不穩(wěn)定性研究中，在強度為1.2的平面激波下，利用高速紋影技術拍攝了激波與Air/SF6柱形界面以及SF6/N2柱形界面的相互作用過程。由于

5、三維效應的影響，流場中出現(xiàn)了很多明顯不同的結(jié)構(gòu);同時發(fā)現(xiàn)了界面的增長規(guī)律受到了很大的影響。主要是由于豎直方向上的正、負曲率導致了周向方向渦量的沉積，其與軸向渦量的共同作用導致了新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生以及界面增長規(guī)律的變化。本文提出了環(huán)約束方法形成三維肥皂膜柱形界面，消除了支架、支撐物的影響，以及減小了界面兩側(cè)氣體的交換，為RM不穩(wěn)定性的實驗研究提供了一種有效的界面生成方法。同時系統(tǒng)研究了三維效應對激波-氣柱RM不穩(wěn)定性問題的影響，對三維RM不穩(wěn)定