柱状汇聚激波冲击单模界面的实验研究

摘要

当激波作用于具有初始扰动的两种不同密度流体分界面时，压力梯度和密度梯度方向的不重合引起斜压涡量的产生和发展，并伴随着复杂的流体力学现象，导致扰动振幅增长、界面失稳，最终出现湍流混合，这种流动不稳定性被称为Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性。近年来，由于其在科学和工程实际中重要的应用背景，有关RM不稳定性的研究逐渐受到重视，而汇聚激波作用下的RM不稳定性由于其在高能物理中的应用则显得尤为重要。然而在汇聚激波作用下的RM不稳定性研究中，如何在实验中生成一道形态可控的汇聚激波一直是该研究领域的一大难题。本文在课题组自行设计和加工的半环形汇聚激波管中生成柱状汇聚激波，通过实验结合数值模拟的方法研究了汇聚激波作用下的RM不稳定性。
　　与前人工作相比，半环形汇聚激波管遵循环形激波管结构原理，但只保留了环形管道和实验段的一半成为半环形，为界面生成和流场拍摄提供了极大便利。利用高速纹影成像技术得到了柱状汇聚激波作用下单模界面演化的完整过程。通过改变初始激波马赫数和界面形状，获得了不同工况下界面位移和扰动振幅随时间的变化，研究了激波马赫数和单模界面初始振幅对实验过程的影响。结果表明，汇聚激波作用下的RM不稳定性与平面激波有很大差别，主要原因在于汇聚效应，包括结构汇聚、流动压缩以及界面反相等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 问题描述

1．3 研究现状

1．3．1 理论研究

1．3．2 实验研究

1．3．3 数值模拟

1．4 本文研究内容

第二章 实验与数值方法

2．1 实验方法

2．1．1 半环形激波管设计

2．1．2 单模界面生成方法

2．1．3 高速纹影观测系统

2．2 数值方法

2．3 本章小结

第三章 柱状汇聚激波的生成和验证

3．1 柱状汇聚激波的运动过程

3．2 自相似关系

3．3 无扰动气体界面实验

3．3．1 汇聚激波与无扰动界面作用的数值模拟

3．3．2 汇聚激波与无扰动界面作用的实验结果

3．4 本章小结

第四章 初始振幅对单模界面演化的影响

4．1 汇聚激波与3mm振幅初始界面相互作用

4．2 不同振幅工况下的实验图像

4．3 界面位移和振幅的演化规律

4．4 界面演化机制分析

4．5 本章小结

第五章 激波强度对单模界面演化的影响

5．1 不同初始马赫数工况的实验结果

5．2 不同马赫数工况中实验数据处理

5．3 不同马赫数汇聚激波与单模界面作用的数值模拟

5．4 激波运动过程中的典型波系结构

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文