PIV技术在气体界面不稳定性实验研究中的应用

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,以乙二醇烟雾作为示踪粒子,实验测量了平面激波作用下SF6气柱-空气界面Richtmyer-Meshkov不稳定性演化图像和二维速度场.测量结果揭示了不稳定性流场的典型特征和细微结构,与高速摄影和数值模拟结果符合,说明建立的PIV技术适...     

激波诱导的液柱气液界面RM不稳定性的研究

为了进-步研究气/液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象,在水平激波管中进行了激波与单、双排液柱相互作用的实验.通过使用驱动气体为氮气、被驱动气体为空气,获得了马赫数为1.10与1.25的激波;通过更换不同尺寸的试件获得了初始直径不同的液柱。使用高速摄影仪记录了激波作用之后液柱失稳变形的详细过程,测量分析了不稳定性发展过程中,尖钉高度、气泡深度及混合区域宽度随时间的发展规律,并与理论分析中的公式进行了比较。     

弱激波冲击无膜重气柱和气帘界面的实验研究

研制了一个改进的激波管设备,对马赫数为1.2的弱激波冲击作用下空气中SF6气柱和气帘界面的演变过程进行了初步的实验研究。通过设计激波管实验段、烟雾发生器、气体箱、进气吸气系统和激波管尾段,控制混合气体中SF6的峰值浓度和初始气流速度,建立了稳定、可重复的无膜气柱和气帘初始界面形成技术。利用高速摄影技术,在水平面内观测了气柱和气帘的初始界面图像,沿垂直方向观测了界面RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性的演变过程。气柱演变图像显示了典型的对涡结构,气帘演变图像显示了早期的多蘑菇形结构和后期的相邻波长干扰效应。图像后处理表明,气柱的高度和宽度、气帘的宽度均随时间单调增加,且宽度比高度增加快得多。从二维涡量动力学方程出发,对图像中涡的演变过程进行了初步解释。     

空气/水界面水分子的取向和运动

对四种不同的实验构型下空气／水界面自由O-H键在3700cm~(-1)的和频振动光谱的分析表明,水分子在空气／水界面的取向运动只可能是在平衡位置附近有限角度之内的受限转动。界面水分子的自由O-H键取向距界面法线约33°,而取向分布或运动的宽度不超过15°。这一图像显著地不同于Wei等人(Phys. Rev. Lett.86,4799(2001))只通过单一的SFG实验构型所得出结论,即：空气／水界面的水分子在超快的振动弛豫时间内在很大的角度范围内运动。     

Absolute Orientation of Molecules with Competing Hydrophilic Head Groups at the Air/Water Interface Probed with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

和频振动光谱(SFG-VS)研究中由基团在界面上取向所引起的光谱增强或相消的干涉现象为研究分子在界面上的绝对取向提供了一种直接的测量方法. 这一方法比SFG实验中复杂的相位测量方法更为直接和简单可行. 以在空气/水界面取向已知的对羟基苯腈(PCP)分子的氰基(-CN)基团为相位参考来获得3,5-二甲基对羟基苯腈(35DMHBN)和2,6-二甲基对羟基苯腈(26DMHBN)分子在空气/水界面的取向信息. 通过对这三种分子的水溶液和它们两两混合溶液界面上-CN基团和频振动光谱强度的比较,发现在空气/水界面的3     

掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响

利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统所得到的向外传播球形火焰纹影图片,并结合火焰不稳定性理论分析了掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响规律.结果表明,随着掺氢量的增加,在稀薄混合时火焰不稳定性增加,表现为前锋面的裂纹加剧;而在浓混合时呈现相反的变化趋势.可燃混合物的热扩散不稳定性与综合不稳定性随掺氢量的变化趋势一致;流体力学不稳定性不影响热扩散不稳定性与综合不稳定性的变化趋势,它随掺氢量的变化取决于火焰厚度和热膨胀比的综合变化。     

激波冲击V形界面的RM不稳定性实验研究

在激波管中实验研究了二维V形空气/SF6界面在入射激波和反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性发展规律。实验中采用细针约束肥皂膜的方法形成了精确可控的V形初始界面,利用高速纹影技术获得了受冲击的V形界面演化图像。通过改变初始V形界面顶角表征初始扰动振幅,获得了不同初始振幅条件下的波系和界面演化。结果表明,不同顶角下,入射激波冲击过后,界面形态表现出明显的差异,进一步导致反射激波冲击后界面形态的多样性。当顶角较小时,反射激波在界面内外引起复杂的波系结构,从而对界面形态及反相现象产生较大的影响。反射激波的二次作用使流场快速进入湍流混合状态,并且顶角较小时流场趋于各向同性发展。对反射激波作用后的界面混合宽度进行了测量,并与理论模型预测结果进行对比,发现理论模型不能很好地预测混合宽度的增长,主要是因为反射激波作用之后流场并没有完全达到湍流混合状态,不符合理论模型的适用条件。     

基于BOS的超声速流场瞬态密度场的可视化

瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效"冻结"超声速流场;相对于长曝光纹影图像,瞬态图像显示了更小时间尺度的流场密度场,且突起较多,分布不均匀.结果表明,瞬态密度场可视化技术能够揭示瞬态激波流场的密度场细节,为超声速和高超声速流场复杂流动机理的深入理解和研究提供了一种有效方法.      

激波两次冲击下重气柱Richtmyer-Meshkov不稳定性的粒子图像测速研究

采用粒子图像测速(PIV)技术,实验研究了激波两次冲击空气环境中重气体SF6气柱的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性,定量表征了流场的速度、涡量和环量。结果表明,激波首次冲击气柱后,界面演化成初始涡对,且在较长时间内涡强度的变化很小。激波二次冲击气柱后:当反射距离较小时,界面衍生出二次涡对,其旋转方向与初始涡对的旋转方向相反,强度显著小于初始涡对的强度;当反射距离较大时,则不衍生大尺度涡结构。初始涡对的环量在激波二次冲击气柱后随时间逐渐减小,说明能量逐渐由流场中的大尺度结构转移至小尺度结构。利用PIV技术得到的初始涡对和二次涡对的环量与理论模型的预测结果吻合较好。     

激波冲击R22重气柱所导致的射流与混合研究

基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流. 关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 R22重气柱 反射激波 射流     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

一个用于界面不稳定性实验研究的竖式激波管

 研制了一个可用于气-气界面Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性、气-液界面Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性、气-液界面RT和RM耦合不稳定性实验的竖式激波管装置,配备了相应的光学电学测量系统,给出了装置的主要技术参数,以及典型实验的压力-时间曲线。利用这套实验装置,可以精确地控制不稳定性的初始扰动界面,观测记录界面演化发展全过程。     

Holographic interferometric visualization of the Richtmyer-Meshkov instability induced by cylindrical shock waves

Results of quantitative holographic interferometric flow visualization of cylindrical interface instability induced by converging cylindrical shock waves are reported. Experiments were conducted in an annular vertical co-axial diaphragmless shock tube, in which cylindrical soap bubbles filled with He, Ne, Air, Ar, Kr, Xe and SF₆ were co-axially placed in its test section. Pressure histories at different radii during the shock wave implosion and reflection from the center were measured. Diagnostic method base on double exposure holographic interferometry was applied for the measurement of turbulent mixing zone at the interface. The observed cylindrical interfaces were found to have a higher growth rate of turbulent mixing zone than that of the plane shock / plane interface.     

稀甲烷/氢气预混湍流传播火焰实验研究

本文采用定容湍流燃烧弹获取了稀甲烷/氢气/空气在强湍流条件下的火焰发展历程,研究了湍流火焰在负马克斯坦数条件下的传播特性.结果表明,湍流火焰呈现自相似传播特性,即使在强湍流条件下,湍流传播火焰仍然会受到不稳定性的影响.并且随着马克斯坦数的减小,不稳定性对湍流传播火焰的影响增强。同时,本文获得一种新的湍流燃烧速度拟合公式,包含了负马克斯坦数条件下不稳定性对湍流燃烧速度的影响。     

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.     

On the Structure of the Mixing Zone at an Unstable Contact Boundary

The interface between two media of different densities (contact boundary) moving with an acceleration directed from the less dense medium to the more dense one is unstable (Rayleigh–Taylor instability) [1, 2]. The initial perturbations of the interface grow indefinitely and, as a result, a medium mixing zone growing with time is formed at the interface. The structure of such a mixing zone at gas–gas and gas–liquid interfaces is discussed on the basis of laboratory experiments on shock tubes of various types. It is concluded that the regions of turbulent and laminar flows are combined in the mixing zone.     

Experimental study of the stability of the interface between a liquid electrolyte and the glow discharge plasma

The stability of the interface between a liquid electrolyte and the plasma of a contracted low-pressure dc glow discharge in air is investigated by means of digital photography. Water solutions of potassium permanganate and copper sulfate were used as electrolytes. It is found that, in the case of potassium permanganate, the instability of the interface leads to ejection of the electrolyte into the plasma and extinction of the discharge. Discharge modes with different types of quasi-steady interface are observed for copper sulfate at different values of the discharge current: a smooth interface, a solitary wave perturbation, regular ripples, and a churning foamed turbulent mixing zone.     

偏心对汇聚激波诱导的RM不稳定性影响的数值研究

数值研究汇聚激波与四种形状（圆形、小振幅单模、大振幅单模和正方形）的二维气柱界面相互作用,激波汇聚中心与界面同心和不同心（即偏心）时Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的发展规律,重点考察界面中心的压力及混合区面积在两种情况下随时间的变化.数值方法使用VAS2D程序,该方法采用有限体积法结合网格自适应技术,能够达到时间和空间的二阶精度.结果表明,偏心情况下RM不稳定性是其在同心情况下的扰动和偏心小扰动叠加的结果.在本文采用的偏心程度下（20%）,偏心对于圆形无扰动界面发展的影响主要表现在后期界面出现微小扰动结构;而对于单模和正方形这种原本有扰动的界面,偏心使扰动结构呈现不对称及扭曲,同时也影响了界面中心压力和混合区面积,因而加剧了不稳定性的发展.     

激波与SF_6梯形气柱相互作用的数值模拟

基于大涡模拟,结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF_6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟,数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程,详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程,并研究了该过程中所产生的复杂波系结构,对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析;通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析。     

High density current drive by high frequency radiation

A self-consistent theory is developed for current drive by intense radiation in the presence of the ion-acoustic instability. The spectrum of ion-acoustic turbulent noise generated by the driven current and concentrated in a limited cone of angles along the propagation direction of the wave is found. Excitation of the instability is accompanied by the establishment of an electron drift that is excited by the electromagnetic wave and has a velocity on the order of the ion acoustic speed. This current drive regime is realized over a wide range of intensities, as long as the region of turbulence in the angles of the acoustic wave vector is expanding. At yet higher intensities, the driven current increases in proportion to the intensity of the fundamental wave. Similar behavior is found for driven heat fluxes. Zh. éksp. Teor. Fiz. 111, 107–119 (January 1997)