液滴和液柱在激波诱导的高速气流作用下变形破碎过程的数值计算

摘要

RM不稳定性问题是一种十分复杂的多尺度强非线性物理问题，也是高能量密度物理研究的主要内容之一，在天体物理、ICF高新技术、惯性聚变能源、水中炸药爆炸、航天火箭发动机、国防尖端武器等领域有着重要而广泛的研究背景。利用激波管设备开展气体界面RM不稳定性实验研究，同时开展相应的数值模拟和理论分析工作，是当前国际上不稳定性问题的重要研究手段。本文基于一系列激波管实验，对水平激波管中对激波与液滴、液柱的相互作用进行了数值计算研究与分析。
　　本文数值计算内容使用Fluent软件完成。采用实验参数，对不同初始直径的液滴、液柱在马赫数为1.1及1.25的激波作用下的演化过程进行了数值模拟。在实验中，激波是采用铝膜隔开高压气体破膜产生，而在数值计算中我们在激波管中加载高压气体，计算开始高压气体即向右方的低压段作用，产生激波。本文进行了激波管中激波的运动过程、激波与液滴相互作用、激波与液柱相互作用的数值计算，同时依据运动变化过程中的各参数云图，对整个作用的过程作进一步详尽的分析。
　　通过分析参数变化以及与实验结果对比，本文得出以下结论:1，激波管实验中，数值计算结果与激波管理论计算结果有差异;2，激波管实验中，波后气流出现了密度断层，这一发现在以往激波管理论计算中并未被提及;3，激波与液柱相互作用的数值计算必须通过三维模拟解决，实现液柱初始扰动的设置与使得软件顺利计算是两大难点;4，激波与液滴相互作用的数值计算中，在激波穿过液滴期间，液滴的速度，温度等参数几乎不受影响，但液滴内部的压力在激波接触的一瞬间传递到了整个液滴范围;5，在波后气流的作用下，液滴不断变形破碎。不同参数下的数值模拟结果表明，在液滴变形过程中，压强，速度，涡量的演化过程有一致的趋势，但变化速度略有不同。其中以马赫数最高的实验4最为明显。模拟结果与实验结果有非常高的吻合程度，有作为参考的价值。6，通过实验数据对比与数值模拟验证，我们认为，Weber数在液滴破碎过程中为不稳定因素，促进了液滴的破碎;7，通过甘油液滴实验与同参数下实验4数值模拟结果的对比，我们认为Oh对液滴的破碎起抑制作用。同时，甘油实验中，可以观测到类卡门涡街现象，应该是甘油粘性系数大导致该现象产生。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究现状

1．2．2 激波以及激波管实验的数值模拟研究现状

1．2．3 RM不稳定性的数值模拟研究现状

1．3 本文工作

第二章 激波管内激波运动的理论与数值计算

2．1 激波管实验简介

2．1．1 激波管及其他实验装置介绍

2．1．2 实验中使用流体的物性参数

2．2 激波管的理论分析与数值计算

2．2．1 激波管的理论分析

2．2．2 激波管的数值计算

2．3 本章小结

第三章 激波与液柱作用的空气动力学现象的数值计算结果及分析

3．1 激波与液柱相互作用实验结果简介

3．2 三维液柱数值计算结果

3．2．1 建立计算模型

3．2．2 初始直径2．76mm液柱实验的数值模拟结果

3．3 二维液柱数值计算结果

3．3．1 建立计算模型

3．3．2 二维液柱实验数值模拟结果

3．4 本章小结

第四章 激波与液滴作用的空气动力学现象的数值计算结果及分析

4．1 激波与液滴相互作用的实验结果简介

4．1．1 实验工具与方法说明

4．1．2 实验内容与结果的分析方法

4．2 数学模型与计算模型

4．2．1 控制方程

4．2．2 计算模型

4．2．3 定解条件与求解算法

4．3 激波与液滴相互作用实验的数值计算结果与分析

4．3．1 激波穿过液滴时的状况

4．3．2 数值计算结果与分析

4．3．3 几种实验参数对液滴破碎过程的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文工作局限与展望

参考文献

致谢

硕士学位论文工作期间取得的成果