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.     

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。     

不同界面组分分布对Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.     

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。     

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。     

双椭圆界面Richtmyer-Meshkov流动中的相互干扰效应

实验研究了在马赫数为1.18的平面激波冲击作用下,双椭圆界面RichtmyerMeshkov不稳定性演化的动力学过程。椭圆短轴b与入射激波方向垂直,通过改变双椭圆的中心间距d,采用片光高速摄影和PIV(粒子图像测速)技术,观测了4种不同情形的演化模态,获得了界面演化多幅像和700μs时刻的速度场,分析了双椭圆气柱之间的相互干扰效应。当d/b为4.0或3.0时,相互干扰效应较弱,双椭圆气柱演化为两个反向旋转的对涡,速度极大值接近30m/s,出现在2个位置,速度最小值几乎为零,出现在4个位置。当d/b为2.0或1.2时,相互干扰效应很强,两个内涡完全消失,双椭圆气柱演化为一个反向旋转的涡对结构,速度极大值出现在4个位置,速度极小值出现在两个位置。d/b=2.0时,界面演化图像与圆形气柱演化过程类似。相比d/b=2.0的情形,d/b=1.2时产生更大的斜压涡量,界面演化发展更快,后期出现二次涡现象和分叉结构,整体结构类似于单椭圆气柱演化过程。当d/b在2.0~3.0之间变化时,存在一个是否形成两个内涡的非线性临界值。针对双气柱界面演化明显的内涡弱化现象,分析了4种可能的机制。     

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.     

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。     

激波诱导双层气柱演化的偏心效应研究

实验与数值研究了平面激波诱导下双层气柱的演化规律.利用肥皂膜技术生成了3种双层气柱,通过固定内、外层气柱半径,改变内层气柱在流向方向上的位置,研究了双层气柱偏心效应对流场演化的影响.结果表明,当内层气柱向上游偏移时,外层气柱的上游界面在后期会产生朝向上游的"射流";当内层气柱向下游偏移时,下游两道界面会较早地耦合在一起...     

On interaction of shock wave with elliptic gas cylinder

Abstract  

The interaction of a planar shock with one elliptic heavy-gas (SF₆) cylinder surrounded by air is investigated experimentally. By changing the aspect ratio of the elliptic cylinder, the influence of the initial shape on the evolution of the interface is visualized by a series of dynamic photos utilized by a high-speed camera. It is found that the longer the axis perpendicular to the shock front, the faster and the severer the deformation of the gas cylinder. This can be explained mainly by the different amount of vorticity produced by the misalignment between the density gradient and the pressure gradient. When the vertical axis is much longer than the horizontal axis, the vorticity production is mainly concentrated at the upper and lower corners, which rolls up in time, and results in a structure of big vortex-pair. When the horizontal axis is much longer than the vertical axis, the baroclinic vorticity production distributes at almost every position along the interface, which leads to a faster rolling up of vortices, and even second vortex may develop at later times.     

二维气/液界面不稳定性数值模拟

 以多介质的体积分数方法和三阶PPM（Piecewise Parabolic Method）方法为基础,给出了适用于多介质流体动力学数值模拟的计算方法和程序MFPPM。利用MFPPM程序对在高压气体冲击作用下的气体/液体交界面的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性及其引起的流体混合现象进行了数值模拟研究。主要研究在不同的初始扰动情况下流体混合区的发展,并细致研究了流体混合区的宽度、气泡和尖钉高度随时间的增长情况及不同初始扰动对它们的影响;同时还研究了网格尺度不同时混合区、气泡以及尖钉的构型和高度的增长情况。通过对计算结果的分析得出,流体混合区、气泡以及尖钉的发展与初始扰动有密切的关系,特别是在后期影响更为显著;混合区宽度的变化过程和尖钉相似,而气泡高度的变化基本上呈线性增长趋势,且受初始扰动的影响比较小,但是其构型却有明显差别;网格的影响也主要体现在对混合区、气泡和尖钉的构型上。     

Flow morphologies of two shock-accelerated unstable gas cylinders

Our highly reproducible shock-tube experiments examine the interaction of two unstable, compressible gas cylinders accelerated by a planar shock wave. Flow visualization shows that the evolution of the double-cylinder flow morphologies is dominated by two counter-rotating vortex pairs, the strength and behavior of which are observed to be highly sensitive to the initial cylinder separation. Simulations of the flow based on idealized vortex dynamics predict grossly different morphologies than those observed experimentally, suggesting that interactions at early time weaken the inner vortices. A correlation-based ensemble averaging procedure permits decomposition of the concentration field into mean and fluctuating components, providing evidence that energy is transferred from the intermediate to the small scales at late time.     

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...     

超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验

研究发展了超高频基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering,NPLS）技术。基于多腔并联脉冲激光器技术、棱锥分光与短曝光相机集成技术以及高精度同步控制技术,实现了MHz级流场可视化和精细测量。采用超高频NPLS技术研究了对流Mach数Ma_c=0.17,0.26混合层流场,获得了时间序列的混合层高分辨率NPLS图像。采用阵列型涡流发生器开展流动控制研究,分析涡流发生器对混合层发展的影响特性。通过选取典型涡结构,分析了超声速混合层不同发展阶段的涡运动和发展演化规律。发现混合层中段的不稳定性发展阶段,涡结构以平移和旋转为主,伴随一定的拉伸;混合层后段以变形和破碎为主,有大量小尺度结构产生。并且小尺度结构会受到剪切、大尺度结构以及小激波的影响,发生明显的非定常运动。      

Vortex formation in a shock-accelerated gas induced by particle seeding

An instability forms in gas of constant density (air) with an initial nonuniform seeding of small particles or droplets as a planar shock wave passes through the two-phase medium. The seeding nonuniformity is produced by vertical injection of a slow-moving jet of air premixed with glycol droplets or smoke particles into the test section of a shock tube, with the plane of the shock parallel to the axis of the jet. After the shock passage, two counterrotating vortices form in the plane normal to that axis. The physical mechanism of the instability we observe is peculiar to multiphase flow, where the shock acceleration causes the second (embedded) phase to move with respect to the embedding medium. With sufficient seeding concentration, this leads to entrainment of the embedding phase that acquires a relative velocity dependent on the initial seeding, resulting in vortex formation in the flow.     

差分干涉CT技术诊断激波管界面不稳定性

对差分干涉计算机层析技术诊断激波加载下气柱界面不稳定性的可行性进行初步理论和实验研究。针对有限投影数的联合代数重建算法,提出了一种新的投影矩阵计算方法,采用特定投影方向,各投影方向具有不同采样间隔。投影方向的对称性和投影线的规律性使计算过程大为减化。用该重建算法对气柱密度场进行数值模拟,结果表明4方向投影能够重建激波作用下气柱演化初期的体密度场,8方向投影基本能够重建演化中期的体密度场。用差分干涉系统对激波管气柱进行3方向诊断的实验结果表明,差分干涉计算机层析技术用于激波冲击下的气柱不稳定性密度场诊断是可行的。     

Experimental investigation of primary and secondary features in high-mach-number shock-bubble interaction

Experiments to study the compression and unstable evolution of an isolated soap-film bubble containing helium, subjected to a strong planar shock wave (M=2.95) in ambient nitrogen, have been performed in a vertical shock tube of square internal cross section using planar laser diagnostics. The early phase of the interaction process is dominated by the formation of a primary vortex ring due to the baroclinic source of vorticity deposited during the shock-bubble interaction, and the mass transfer from the body of the bubble to the vortex ring. The late time (long after shock interaction) study reveals the presence of a secondary baroclinic source of vorticity at high Mach number which is responsible for the formation of counterrotating secondary and tertiary vortex rings and the subsequent larger rate of elongation of the bubble.