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。     

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.     

纵向磁场抑制Richtmyer-Meshkov不稳定性机理

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU (corner transport upwind)+CT (constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性的发展;无磁场时,流场结构与Haas和Sturtevant (Hass J F,Sturtevant B 1987 J. Fluid Mech. 181 41)的实验结果相符;施加纵向磁场后,激波结构的演化基本无影响,但明显抑制了气柱界面的不稳定性.进一步研究表明,激波与界面的作用,使磁感线在界面上发生折射,改变流场的磁场梯度,在内外涡量层上形成磁张力.磁张力的形成,对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩,抑制了界面的失稳及主涡的卷起.另外,磁张力沿界面分布的不均匀,改变磁感线在界面上的聚集程度,放大磁能量,最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用.     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

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。     

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。     

磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究

本文基于磁流体动力学方程组,在保证磁场散度为零的条件下,采用CTU+CT（corner transport upwind+constrained transport）算法,对有无磁场控制下激波与重质或轻质三角形气柱相互作用过程进行数值研究.结果表明：无论有无磁场,两气柱在激波冲击下均具有完全不同的波系结构和射流现象.其中,入射激波与重气柱发生常规折射,形成介质射流,而与轻气柱作用则发生非常规折射,形成反相空气射流.无磁场时,气柱在激波冲击下,产生Richtmyer-Meshkov和Kelvin-Helmholtz不稳定性,界面出现次级涡序列,重气柱上下角卷起形成主涡对,轻气柱空气射流穿过下游界面后形成偶极子涡.施加横向磁场后,次级涡序列、主涡对以及偶极子涡均消失.进一步研究表明,在磁场作用下,洛伦兹力将不稳定性诱导产生的涡量向界面两侧的Alfvén波上输运,减少界面涡量沉积,抑制界面卷起失稳.最终,涡量沿界面两侧形成相互远离的涡层,界面不稳定性得到控制.此外,定量分析表明磁场能加快两气柱上游界面的运动,抑制下游界面的运动,且对轻气柱的控制效果更好.     

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     

Richtmyer-Meshkov不稳定性强化混合参变机理

在不同参数条件下, 计算分析了H₂O和N₂等混合物界面上激波诱导Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性过程.采用有限差分方法数值求解了二维可压缩Navier-Stokes方程, 对流项以5阶特征紧致-WENO混合格式离散, 输运项以6阶对称紧致格式离散, 时间方向以3阶显式Runge-Kutta方法推进.研究表明, 界面振幅和激波强度增大, 均可增强界面附近涡量场, 强化混合.      

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。     

激波和单列水柱、气水固多界面相互作用的数值模拟

研究可压缩多介质流场的激波和多介质界面相互作用问题.在Descartes固定网格采用level-set方法追踪界面,气/气界面边界条件处理采用OGFM方法,采用修正的rGFM方法提高气/水和气/固界面处构造Riemann问题精度,将Riemann近似解得到的界面参数外推到两侧真实和虚拟流体,采用五阶WENO方法求解流场Euler方程和界面level-set方程,给出不同时刻流场数值纹影图像.结果表明：在可压缩流场嵌入固体和水、气体等目标,本文方法可较精确地分辨平面运动激波和单列水柱及包含气/气、气/水和气/固等界面作用后产生的复杂激波结构.和传统的分区与贴体变换方法不同,为Descartes网格包含多介质界面复杂流场计算提供新途径.     

不同磁场构型下Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF_6射流穿过下游界面;有磁场时,界面光滑无涡串.其中,横向磁场下界面更光滑, SF_6射流不再穿过界面.此外,由于Richtmyer-Meshkov不稳定性的作用,磁力线在气柱界面发生扭曲,且上游界面处磁力线扭曲程度更大,产生强洛伦兹力,使涡量分层明显;下游界面处,纵向磁场产生的洛伦兹力较横向磁场更小,涡层之间相互干扰.最后,本文将动态模态分解用于界面不稳定性研究,发现:磁场作用下界面仍存在小涡,且纵向磁场下扰动更多.第一模态的稳定涡结构能反映主要流场信息,第二到第四模态下的小涡频率依次增加,且无磁场、纵向和横向磁场的同一模态下,小涡频率依次减小.因而磁场能抑制小涡频率,且横向磁场抑制效果更好.     

激波汇聚效应对球形气泡演化影响的数值研究

利用三维程序,对比研究了汇聚激波及平面激波冲击下SF6球形气泡演化规律的异同,以期发现激波的汇聚效应对界面演化的影响.三维程序采用多组分可压缩欧拉方程,基于有限体积法,利用MUSCL-Hancock格式进行数值求解,可以达到时间和空间的二阶精度.相比平面激波,汇聚激波由于存在曲率,且激波强度以及壁面效应在汇聚激波运行的过程中逐渐增强,使得激波冲击后的流场演化有较大的不同.计算结果表明:汇聚激波作用下,气泡界面的涡结构更加尖锐;气泡内部的透射激波聚焦程度更强,在界面下游附近形成的最高压力大于平面激波算例,由此产生的射流运动速度更快;由于汇聚激波曲率及激波强度的变化,导致界面上涡量的分布规律以及涡量幅值产生较大变化.通过界面上产生的环量以及界面内外气体混合速度的对比表明,汇聚激波更有助于涡量的产生以及气体的混合.因此激波的汇聚效应对气泡界面演化具有重要影响.     

圆柱界面不稳定性的多组分气体动理学数值计算

在假定单元内各组分同温同速的条件下,采用气体动理学格式(Gas-Kinetic Scheme,GKS)对空气/He和空气/R22圆柱界面不稳定性进行了数值计算,得到不同时刻的密度分布以及界面上特征位置的位移历史和平均速度。当激波穿过界面后,界面上特征位置的位移随时间逐渐增大,特征位置的平均速度与前人的实验结果和数值模拟结果吻合很好。对比结果表明,从微观气体运动角度出发的GKS方法对于界面不稳定性问题具有良好的模拟能力。     

理想磁流体中激波与矩形密度界面相互作用的数值研究

发展一套采用三阶WENO格式和混合GLM方法的理想磁流体数值方法,并对激波与矩形密度界面相互作用进行数值研究.通过圆极化阿尔芬波和旋转激波管问题对数值方法的稳定性和可靠性进行验证.在入射激波马赫数为10,界面内外气体密度比为10的情况,对比不同磁场中矩形密度界面的演变过程.结果表明,磁场能够减少界面上涡量的生成从而抑制界面不稳定性,并且磁场对界面的加速过程以及界面内外气体混合率有影响;而界面的存在将会使波后部分区域磁场增强;由于尖角的存在,矩形界面的发展与圆形界面不同.     

多根液柱在激波作用下的变形破碎过程研究

本文对直径为2 mm的单根液柱和三根液柱在马赫数为1.2的激波作用下的变形破碎过程进行了数值计算和实验观察。数值计算包括了二维水平截面及三维流场,利用多相流VOF模型和标准k-ε湍流模型,计算得到了气/液界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性失稳过程及液柱周围流场的物理特性,分析了尖钉高度和气泡深度的发展规律,数值计算结果与实验结果有良好的一致性。     

rGFM和level-set方法在水柱群和喷管流场计算中的应用

计算平面运动激波和水柱群相互作用以及喷管流场.在Descartes网格中利用level-set方法分别追踪气/水和气/固界面,采用rGFM方法处理气/水和气/固界面边界条件.将喷管内壁简化为气/固界面并施加固壁边界条件,内壁型线数据拟合采用三次样条插值.采用5阶WENO格式分别求解Euler方程、level-set方程和界面重新初始化方程.给出激波和水柱群相互作用流场密度纹影图和指定点p-t曲线以及喷管流场压力、密度云图和速度场.改进界面法线确定方法可提高Riemann问题构造精度.可分辨运动激波和水柱群作用产生的复杂激波波系,表明激波在各水柱界面的透射和反射、在列和行水柱界面的多次反射和透射.水柱群下游区域的激波波后压力下降,表明激波加热水柱群附近气流和反向运动的反射激波造成了激波衰减.喷管流场数值解和理论解相符.     

高速摄影在流体动力学不稳定性研究中的应用

用高速摄影技术研究了高压气体膨胀驱动空气-水界面的瑞利-泰勒不稳定性,获得了空气-水界面的不稳定性清晰图像,得到气炮尖顶运动速度及湍流混合层高度增长速度与时间关系曲线。在横式激波管上用高速纹影诊断技术研究了激波作用空气-SF6界面的里克特迈耶-梅什科夫不稳定性,初步获得了实验图像,可清晰显示混合区变化过程。     

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。