激波冲击气体界面不稳定性和射流发展研究

摘要

Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性是惯性约束聚变、尖端武器和天体物理等领域的重要问题，具有重要的科学意义和广泛的应用背景。激波管研究RM不稳定性具有投资小、周期短、高时空分辨率诊断、实验条件易控等特点，受到世界各国的重视，并以此作为理解RM不稳定性复杂流动机理和校验程序的重要手段，目前国内的相关研究主要集中在数值模拟方面，实验研究很少。
　　本文在广泛调研国内外相关文献和总结分析的基础上，白手起家，克服了很大困难，建立了气体界面RM不稳定性实验平台，采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统地研究了在激波冲击作用下，正弦小扰动平面、气柱界面和球形气泡界面RM不稳定性和射流发展过程。
　　RM不稳定性实验平台建设方面，从寻找实验场地开始，建设了50 mm×50 mm、200 mm×100 mm等多种截面的激波管装置，探索掌握了无膜初始气柱界面和薄膜正弦初始界面方法，以及高速摄影、阴影和粒子图像测速等测试技术，建成了用于激波冲击气体界面研究的实验设备、界面方法和测量系统，形成了系统研究RM不稳定性的实验能力。
　　激波冲击气柱界面演化过程方面，圆形SF6气柱实验表明，初始界面演化为对涡结构，气柱大小随时间单调增加，宽度比高度增加得更快。椭圆形气柱研究表明，长短轴比率最小的情况下，涡的产生主要集中在上缘和下缘，且随着时间而卷曲运动，可看作是上、下两个点涡演化机制，最后发展为大涡对结构。长短轴比率最大的情形，很大的涡量沿着很长的界面上产生，早期界面中间出现射流现象，后期演化出二次涡和分叉结构。速度场结果表明，速度最大值出现在气柱中部对称轴上，流向速度呈上、下对称分布，法向速度呈上、下反对称分布。长短轴比率越大，产生的涡量越大，汇聚效应更强，两个涡核的间距更小，速度场最大值越大，气柱界面的发展和变形越快。
　　正弦界面RM不稳定性方面，单模态正弦界面不稳定性实验表明，气泡运动速度高于尖钉，扰动振幅经历了快速增长和增速减缓阶段，界面发展初期线性阶段振幅快速增长，中期由于界面斜压涡，尖钉翻转成蘑菇头形状，振幅增速降低，实验、计算和非线性理论结果较好吻合。双模态界面RM不稳定性中，研究了均匀和非均匀流场中不稳定性演化的区别，表明初始流场的非均匀性与初始扰动幅度一样，对于不稳定性发展过程有重要的影响。
　　气泡界面演化和射流发展方面，数值模拟研究了激波与重气泡的相互作用过程，SF6气泡演化逐渐出现激波碰撞，聚焦，向下游运动的射流，主涡环，二次涡环，射流蘑菇头颈缩和断开，二次涡环和射流头部消失等现象。R12气泡的演化过程与SF6相似，只是流场特征结构出现得更早。R22气泡的特征结构与SF6和R22气泡类似，只是没有出现二次涡环。Kr-0.83气泡演化过程中由于聚焦时在界面下游极点的左、右两侧各出现一个高压区，导致没有出现射流。Kr气泡演化过程中出现向气泡内运动的射流结构。定量分析表明，气体密度越小，射流出现得越早。外射流初期速度比后期快，后期基本为常数。内射流在后期的速度要小得多。聚焦时刻随着气体密度的减小而减小。随着气体密度的增加，聚焦时的最大压力和最高密度单调增加，总环量和斜压力矩单调增加。二次波系产生的涡量明显小于入射激波。
　　本文上述关于RM不稳定性的理论、实验和计算研究结果，为进一步开展强激波、高密度比、汇聚加载，以及金属界面不稳定性研究，深入认识界面不稳定性内在机理奠定了坚实基础，也为惯性约束聚变、天体物理等重要领域的不稳定性研究提供了支撑。
　　本论文的部分研究内容在国际或国内属于首次开展，其创新点表现在:
　　1.从寻找实验场地开始，白手起家，建立了多套激波管装置和相应的测量技术，在国内首次掌握无膜气柱界面和薄膜正弦界面生成方法，形成了系统地研究RM不稳定性的实验能力，获得了两项国家发明专利授权，处于国内领先水平。
　　2.提出了椭圆气柱界面RM不稳定性问题，在国际上首次研究了七种长短轴比率的椭圆气柱界面发展过程，获得了理想的实验结果，发现了大涡对、分叉、二次涡等新现象，深入认识了涡的演化机理，数值模拟分析验证了实验的发现，深化了物理认识，得到了国外同行的认可。
　　3.采用实验、计算和理论相结合的方法，首次研究了非均匀流场中RM不稳定性问题，表明初始流场非均匀性与初始扰动振幅一样，对于不稳定性发展有重要影响，拓展了国际上以往关于流体力学RM不稳定性的研究领域，加深了对于复杂流动中RM不稳定性问题的认识。
　　4.采用有限体积法程序，在国际上首次定量深入地研究了多种重气泡演化过程中的射流问题，得到了系统可靠的计算结果，揭示了射流的产生机理，对于深入理解冲击波与非均匀介质作用时的激波聚焦和高速射流等问题有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 Richtmyer-Meshkov不稳定性的研究意义

1．2 激波冲击气体界面不稳定性研究概况

1．2．1 实验

1．2．2 数值模拟

1．2．3 理论

1．3 研究热点和难点及存在的问题

1．4 本项工作的研究内容

1．5 全文的编写思路

参考文献

第二章 激波冲击气柱界面演化过程

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 加载原理

2．2．2 气柱界面形成技术

2．3 测试技术

2．4 圆形气柱界面演化过程

2．5 椭圆气柱界面演化过程研究

2．5．1 椭圆气柱界面演化实验

2．5．2 椭圆气柱演化实验的数值模拟

2．6 本章小结

参考文献

第三章 正弦界面Richtmyer-Meshkov不稳定性

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 加载原理

3．2．2 正弦界面形成技术

3．3 测试技术

3．4 单模态正弦界面Richtmyer-Meshkov不稳定性

3．5 双模态正弦界面Richtmyer-Meshkov不稳定性

3．6 本章小结

参考文献

第四章 激波冲击气泡界面演化和射流发展的数值模拟

4．1 引言

4．2 数值方法

4．2．1 控制方程组

4．2．2 网格技术

4．2．3 数值通量格式

4．2．4 时间推进方法

4．3 数学模型

4．4 计算结果和讨论

4．4．1 计算程序的验证

4．4．2 界面演化和射流发展的计算结果分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 全文总结与展望

5．1 全文工作总结

5．1．1 RM不稳定性实验平台建设

5．1．2 无膜气柱界面演化过程

5．1．3 正弦薄膜界面RM不稳定性

5．1．4 气泡界面演化和射流发展的数值模拟

5．2 创新点及主要结论

5．3 下一步工作展望

致谢

附录 攻读博士学位期间的论文、专利和获奖情况