反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性的相关研究

摘要

当激波作用在有初始扰动的流体界面上时，激波导致的压力梯度和界面上存在的密度梯度会山于方向不重合而使流场中产生斜压涡量，不断积累的涡量会促使界面上的初始扰动随时间不断增长，最终发展为湍流混合，这种现象被称为Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性。RM不稳定性的研究不仪对不稳定性、可压缩流动、湍流等学术问题有重要意义，而且在惯性约束核聚变、超燃冲压发动机等工程实际问题中也有重要价值。自提出以来，RM不稳定性就受到诸多学者研究，然而整体上关注较多的是单次激波作用下RM不稳定性的发展，而工程应用中则以多次激波作用为主，所以本文主要围绕反射激波作用下RM不稳定性的发展展开相关工作。
　　本研究第一项工作是关于平面激波及其反射激波作用下的无膜重气柱界面RM不稳定性的研究。文中在水平激波管中利用挡板形成反射激波，使用片光方法结合高速摄影进行流场观测，研究了平面激波与其反射激波共同作用下两种不同重气柱的界面演化，探索反射激波的作用以及Atwood数对反射激波条件下重气柱界面演化的影响。研究发现反射激波的作用使得两种流体间混合加剧，而且诱导流场中出现新的特征:而Atwood数的不同导致入射激波作用后界面上生成的涡量不同，所以反射激波到达时，界面演化程度不尽相同，而且反射激波所导致的反向涡量也不相同，最终导致界面发展形态、速度及界面尺寸都存在很大区别。第二项工作探究的是汇聚激波与其反射激波作用下的RM不稳定性。因为无论在实验研究还是工程应用中，偏心这一现象广泛存在，所以本文的研究重点是探索偏心这一扰动因素对RM不稳定性的影响。本文主要通过VAS2D程序探究偏心情况下汇聚激波作用的四种常见形状界面的演化规律，分别从界面形态、界面中心的压力曲线及混合区面积变化三方面对比了同心和偏心情况的不同。结果表明本文设置的偏心是一个小扰动，偏心情况下RM不稳定性的发展是其在同心情况下的扰动和偏心这种小扰动叠加之后的发展。对于无扰动界面，偏心导致界面出现微小扰动结构，而对于有扰动界面，偏心则主要导致界面形态小对称且扰动结构扭曲。偏心较明显地改变了界面发展规律及流场参数。后期补充了两组较为简单的偏心相关实验，并且和相应的数值模拟结果进行对比，发现了和数值模拟结果相似的现象。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 问题描述

1．3 研究现状

1．3．1 理论分析

1．3．2 实验研究

1．3．3 数值模拟

1．4 本文工作与结构

第2章 实验和数值方法

2．1 实验方法

2．1．1 平面激波实验方法

2．1．2 汇聚激波实验方法

2．2 数值方法

2．2．1 程序介绍

2．2．2 程序验证

2．3 本章小结

第3章 平面激波与其反射激波作用下两种重气柱界面发展的实验研究

3．1 问题描述

3．2 结果与讨论

3．3 本章小结

第4章 汇聚激波及其反射激波作用下偏心对RM不稳定性影响的相关研究

4．1 问题描述

4．2 偏心对汇聚激波与四种界面作用影响的数值研究

4．2．1 计算模型与条件

4．2．2 结果与讨论

4．2．3 本节小结

4．3 偏心情况下汇聚激波与两种界面的实验研究

4．3．1 结果与讨论

4．3．2 本节小结

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文