汇聚激波生成及其与多边形界面相互作用的实验研究

摘要

当一道激波穿过一个具有初始扰动的流体分界面时，由于密度梯度和压力梯度不重合，分界面上的扰动逐渐增长，形成尖钉和气泡结构，界面两侧的流体不断发生混合，最终形成湍流，这种现象被称为RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性。近些年，在强大的应用背景驱动下，RM不稳定性研究日益受到重视，尤其是汇聚激波作用下的RM不稳定性的研究工作更是备受关注。然而如何在实验室条件下形成柱状汇聚激波，并用于研究RM不稳定性，一直是学术界和工程界的难题。因此，本文采用实验结合数值模拟的方法开展了相关的研究工作。
　　本文基于Takayama的同轴汇聚激波管原理设计加工了一套用于生成环形汇聚激波的竖直式无膜激波管。与前人的工作相比，本文设计的激波管尺寸更小，采用更先进的片光技术和界面生成技术进行实验。利用数值模拟对激波管进行优化，通过实验结合数值模拟验证了激波管的可行性和可靠性。开展了初始马赫数为1.17工况下的汇聚激波参数研究，得到了激波汇聚过程中实验段内压力、密度等参数的定量数据和变化规律，同时压力测量结果表明激波管重复性较好。
　　搭建了一套纹影光路，并且利用高速摄影相机对流场进行拍摄，得到了激波汇聚过程中的一系列实验照片。实验照片中的激波都是以实验段中心为圆心的同心圆，表明汇聚过程中激波始终为均匀对称的圆柱形汇聚激波。汇聚激波运行过程中满足自相似关系，通过定量测量，得到本实验中汇聚激波的自相似指数α为0.836±0.005，与前人研究中的理论预测和实验结果一致，通过实验测量得到的激波位置与时间、激波马赫数与激波位置的关系都与理论值吻合较好。
　　利用细丝约束肥皂膜技术在实验段中生成正八边形、正方形、正三角形肥皂膜界面，数值模拟结果表明约束肥皂膜界面的细丝以及正方形和正三角形界面顶点处的小倒角对界面演化发展影响较小。
　　搭建片光系统，开展汇聚激波与正八边形、正方形、正三角形SF6界面相互作用的实验研究，利用高速摄影相机对流场进行拍摄，得到一系列多边形界面演化发展的实验照片，利用斜压机制对界面演化过程进行初步分析，结合数值模拟结果探讨界面形状对扰动发展的影响。结果表明多边形界面在汇聚激波的作用下，演化结果非常对称，这再一次验证了汇聚激波的对称性。这几种多边形界面演化发展具有相似之处，在入射激波作用的情况下，界面首先受到压缩，然后由于斜压涡量的产生和积累，在界面顶点位置都出现尖钉结构，边界中心位置则出现起泡结构。为了方便讨论，把多边形每条边中心位置称为边界中心，而界面的几何中心与汇聚中心和实验段中心是重合的，因此文中用汇聚中心和实验段中心代替界面几何中心。当反射激波与界面相互作用后，三种界面都出现了反相的现象，界面顶点位置的尖钉结构受到反射激波产生的涡量影响，逐渐发展成气泡结构，而边界中心位置的起泡结构则发展成尖钉结构。利用数值程序对上述三种界面进行了数值模拟，得到的前期演化结果在定性和定量两方面都与实验结果较为一致，正方形界面后期结果不太吻合的原因是肥皂膜界面内SF6气体受到污染。
　　通过环量分析，推断多边形界面演化过程中，流场涡量生成情况。结果表明在入射汇聚激波作用下，边数越多，周长越大，则激波与界面相互作用的时间越短，产生的斜压涡量越小;与入射汇聚激波相比，反射激波与界面相互作用的位置离汇聚中心更近，因此反射过程中产生更多的斜压涡量。入射激波和反射激波引起的压力梯度正好相反，因此产生的斜压涡量方向也互为相反，反射过程产生的斜压涡量一部分和入射激波作用过程中产生的涡量相互抵消，另一部分则诱导界面继续演化发展。反射过程结束后，边越多的界面，流场中积累的涡量越多。

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 汇聚激波生成

1．3．2 界面形成

1．3．3 流场测试

1．4 本文的主要内容和结构

第二章 实验和数值方法

2．1 激波管设计

2．2 界面生成

2．3 流场显示

2．3．1 纹影系统

2．3．2 片光系统

2．4 数值方法

第三章 汇聚激波的生成及其特性

3．1 激波管验证

3．2 汇聚激波对称性验证

3．3 汇聚激波参数分析

第四章 汇聚激波与多种形状Air／SF6界面相互作用

4．1 界面生成方法对流场的影响

4．2 正八边形界面

4．3 正方形界面

4．4 正三角形界面

4．5 界面形状对演化发展的影响

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果