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(xué)的普遍現(xiàn)象，當(dāng)流體界面受到?jīng)_擊作用時(shí)，由于密度梯度與壓力梯度的不重合導(dǎo)致斜壓渦量的產(chǎn)生，界面上的初始擾動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，并最終引起湍流混合，這種流動(dòng)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(dòng)力學(xué)以及湍流形成機(jī)理等方面有著重要的學(xué)術(shù)意義，同時(shí)在慣性約束核聚變以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等方面也具有重要的工程意義，世界各國(guó)對(duì)其開(kāi)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(wèn)題，其界面生成方式主要是無(wú)膜氣柱以及高分子膜界面，但均有一定的局限性;同時(shí)目前激波-氣柱相互作用主要集中在二維氣柱，對(duì)于三維氣柱的RM不穩(wěn)定性問(wèn)題研究較少。
　　本文通過(guò)環(huán)約束肥皂膜方法形成柱形界面，克服了無(wú)膜氣柱以及高分子膜界面的問(wèn)題，同時(shí)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(duì)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(shù)提出了環(huán)約束界面的方法。通過(guò)鑲嵌在上下壁面的圓環(huán)對(duì)肥皂膜界面進(jìn)

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(diǎn)，同時(shí)減少了界面兩側(cè)氣體的相互交換以及界面碎片對(duì)流場(chǎng)的干擾。在二維氣柱的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制界面內(nèi)氣體壓強(qiáng)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(chǔ)。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(shù)對(duì)激波與Air/SF6柱形界面以及SF6/N2柱形界面的相互作用過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)質(zhì)量較大的肥皂膜對(duì)界面發(fā)展產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)中明顯發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)的外部干擾減小，同時(shí)觀測(cè)到了新的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好;同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與一維氣體動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合也較好，驗(yàn)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(qiáng)度為1.2的平面激波下，利用高速紋影技術(shù)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(guò)程。由于

5、三維效應(yīng)的影響，流場(chǎng)中出現(xiàn)了很多明顯不同的結(jié)構(gòu);同時(shí)發(fā)現(xiàn)了界面的增長(zhǎng)規(guī)律受到了很大的影響。主要是由于豎直方向上的正、負(fù)曲率導(dǎo)致了周向方向渦量的沉積，其與軸向渦量的共同作用導(dǎo)致了新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生以及界面增長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)研究提供了一種有效的界面生成方法。同時(shí)系統(tǒng)研究了三維效應(yīng)對(duì)激波-氣柱RM不穩(wěn)定性問(wèn)題的影響，對(duì)三維RM不穩(wěn)定