NUMERICAL STUDY ON THE EFFECTS OF SMALL-AMPLITUDE INITIAL PERTURBATIONS ON RM INSTABILITY

采用Navier-Stokes 方程对入射激波及其反射激波连续诱导小振幅扰动界面的Richtmyer-Meshkov 不稳定性增长过程进行了二维数值模拟,分析了单模和随机多模两种不同初始形态的界面上钉结构和泡结构在反射激波作用前后的发展特性. 研究结果发现：单模扰动的初始界面形态对反射激波前、后界面的扰动增长都有影响,反射激波前的界面形态信息可以通过钉和泡结构之间的反转传递到反射激波过后. 扰动界面上钉结构的发展速度控制了界面混合区总体的发展速度,反射激波前界面上发展成具有完整冠部形态的钉,在反射激波后会反转成复杂的泡结构,此泡结构对反射激波后钉的发展不利. 随机多模界面显示了与单模界面类似的发展规律,但随机多模界面上的复杂泡结构分布的不对称性使得其对钉结构增长的拖曳效应相对要弱,这导致了相似扰动波长下多模随机界面的扰动发展相对单模界面扰动发展要快.     

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管，在马赫数分别为$M=1.5$和1.7的条件下实验研究了气/液界面 上(即Atwood数$A$接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象. 得到 了气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线 性关系的结果，即$h \propto t$. 比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况，发现当 马赫数增加时，同一时间混合区域 宽度随之增加，混合区域宽度增长变快；而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人 为干扰界面), 当界面初始扰动获得随机外界干扰时，界面混合区域具有较大的宽度以及增 长速度. 并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性，流体混合程度更为剧烈.     

RM不稳定过程中预混火焰界面演化及混合区增长预测

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.      

INTERFACE EVOLUTIONS AND GROWTH PREDICTIONS OF MIXING ZONE ON PREMIXED FLAME INTERFACE DURING RM INSTABILITY 1)

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.     

柱状汇聚激波冲击单模气体界面的实验研究

在自行设计和加工的半环形汇聚激波管中,开展了柱状汇聚激波冲击单模Air/SF6气体界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性实验研究。不同于以往的环形激波管,该激波管具有半圆形结构的实验段,使半环形管道和实验段都向外敞开,能够参考传统水平激波管的方式设置初始扰动界面和观测系统。采用线约束肥皂膜的方法形成单模初始扰动界面。利用高速纹影成像技术得到了柱形汇聚激波作用下界面演化的完整过程。为了研究初始振幅对界面演化形态的影响,实验中生成了三种不同初始振幅的单模界面,并获得了三种工况下界面位移和扰动振幅随时间的变化。结果表明,汇聚激波作用下的RM不稳定性与平面激波有很大差别,主要原因在于汇聚效应,包括结构汇聚、流动压缩以及界面反相等。     

绕射激波和反射激波作用下N_2/SF_6界面R-M不稳定性实验研究

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的(Richmyer--Meshkov,R--M)不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

EXPERIMENTALLY STUDY OF THE RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY AT N2/SF6 FLAT INTERFACES BY DIFFRACTED INCIDENT SHOCK WAVES AND RESHOCK

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N₂/SF₆平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的（Richmyer-Meshkov,R-M）不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的“尖钉”和“气泡”结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

单模大扰动的Richtmyer-Meshkov不稳定性

采用高精度的多介质Ghost-Fluid方法,对马赫数为1.15的激波分别作用于单模大扰动Air-CO2、Air-SF6、Air-N2和Air-He界面后的Richtmyer-Meshkov不稳定现象进行了数值研究,得到了不同时刻扰动界面的演化图像,给出了流场的密度等值线和密度纹影图,同实验结果吻合较好。给出了界面的扰动增长随时间变化的情况,并同理论模型进行了对比。对激波从轻气体进入重气体的情况,扰动增长可采用Sadot模型描述线性阶段和早期非线性阶段;对于弱激波同密度接近的气体界面的相互作用,线性阶段时间较长,可用线性模型描述。     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组，采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscous-flow and turbulence)，模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF₆界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明，初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前，非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大；反射激波加载后，非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步，定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外，还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比，发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用，使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

反射激波作用重气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

采用高速摄影结合激光片光源技术,研究了反射激波冲击空气环境中重气体(SF₆)气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性。通过在横式激波管试验段采用可移动反射端壁获得不同反射距离,实现了反射激波在不同时刻二次冲击处于演化中后期的气柱界面,得到了不同的界面演化规律。反射距离较小时,斜压机制对气柱界面形态演化的影响显著,界面衍生出二次涡对结构;反射距离较大时,压力扰动机制的影响显著,界面在流向上被明显地压缩,没有形成明显的涡结构。由气柱界面形态的时间演化图像得到了界面位置和整体尺度随时间的变化,对反射激波作用后气柱界面的演化进行了量化分析。     

球壳结构馈通增长的瑞利-泰勒不稳定性

利用小扰动分析法 ,导出不可压缩球壳结构的馈通增长方程 ,数值模拟了高压气体驱动外表面有初始扰动的明胶球壳的瑞利 泰勒不稳定性模型。计算结果表明 :对于低波数扰动 ,外界面比较稳定 ,内表面的馈通增长较快 ,具有比较明显的三个演化阶段和波形反转现象。高波数扰动的增长恰好与低波数相反。球壳会聚结构比柱壳会聚结构的界面稳定性要好些。     

激波管实验研究非均匀流场R-M不稳定性

利用激波管装置及马赫数为1.27的弱入射激波实验研究了SF6非均匀流场的R-M不稳定性。Air/SF6初始正弦界面由厚度为0.5μm的薄膜相隔得到,由阴影方法记录界面演化过程。实验结果表明:由于不稳定性,重流体(SF6)向轻流体(Air)演化成"尖钉"结构,而轻流体演化为"气泡"结构;由于界面切向速度差的Kelvin-Helmholtz不稳定性,"尖钉"头部翻转成蘑菇头形状;由于流场密度分布不均,低密度区流场扰动增长较快,扰动振幅发展的实验结果与PPM数值计算的结果较吻合。     

高压气体膨胀驱动Air—Water界面Rayleigh—Taylor不稳定性实验研究

利用竖式激波管装置实验研究了Air—Water界面的Rayleigh—Taylor不稳定性问题,这种不稳定性由高压气体膨胀驱动流体界面得以实现。实验结果表明,界面运动平均加速度介于60倍到795倍的重力加速度之间,在随机初始扰动条件下,不稳定性在整个界面同时产生。在初始压力为0．18MPa,水柱高度为230mm的实验中,气泡和尖钉增长系数分别为0．069和0．198。随着界面运动平均加速度的增加,气泡增长系数逐渐增加,但是增加的速度逐渐降低。     

平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法, 研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程. 研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成, 以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化. 首先, 分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展, 发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆; 这些流动现象与液滴另外一侧 (非通道侧) 由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同, 而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因. 其次, 研究冲击中期时, 特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴, 界面形态的演化过程和规律, 揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象. 最后, 研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律, 发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系. 研究表明, 更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值, 而且使得峰值出现的时间更早.      

反射激波冲击重气柱的RM不稳定性数值研究

数值研究了二维气柱在入射激波以及反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展规律, 采用有限体积法结合网格自 适应技术的VAS2D程序, 精确刻画激波和界面的演化. 入射平面激波的马赫数为1.2, 气柱界面内气体为六氟化硫(SF₆), 环境气体为空气, 激波管的尾端为固壁. 通过改变气柱与尾端之间的距离调节反射激波再次作用已经变形的气柱的时间, 获得不同时刻下已经变形的气柱形态、界面尺寸以及环量演化受到反射激波的影响. 结果表明, 反射激波再次作用气柱时, 气柱所处发展阶段不同, 界面演化规律以及环量随时间的变化也不相同, 反射激波与气柱相互作用过程中的涡量产生和分布与无反射情况差异较大, 揭示了不同情况下界面演化的物理机理.     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

激波与椭圆形重气柱相互作用的PLIF实验

在水平激波管中,采用平面激光诱发荧光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)方法对椭圆形重气柱界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性进行实验。气柱由SF₆混入一定比例的丙酮蒸气构成,环境气体为空气。通过改变椭圆形气柱的长短轴比值,得到了激波马赫数为1.25时,3种初始界面的演化形态。通过相对体积分数标定,得到了界面失稳演化过程中的相对体积分数分布,观察到了激波作用后界面气体聚集、转移、消散等现象。实验结果发现,对于流向轴长与展向轴长之比较大的气柱界面,初始界面产生的涡量更大且分布更广,其界面不稳定性发展得越迅速和剧烈。失稳发展迅速的界面甚至出现涡对碰撞并产生尾部射流结构的现象。初始界面直接决定了失稳发展初期形成的涡对强度和间距,并对后期演化有重要影响。     

Air／SF6界面RM不稳定性诱导的物质混合诊断

不同流体伴随激波的作用,在不同密度介质的界面处往往存在激波诱导的界面不稳定性,即RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性,由此不稳定诱导了物质间的相互混合。文中研究了低马赫(1.23)激波作用Air/SF6界面RM不稳定性问题。Air/SF6初始界面由厚度为1～2μm的硝化纤维薄膜相隔得到,利用阴影测试法研究了Air/SF6界面在1.23马赫数激波冲击下,界面混合宽度随时间的发展过程,以及反射激波作用后混合宽度的再增长。实验结果表明混合宽度线性发展前期与经验公式吻合较好。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例. 单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注, 但是反射激波再次冲击气柱 (尤其是三维气柱) 的研究较少, 相关演化规律和机理尚不清楚. 反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量, 影响涡量的输运和分布, 从而影响界面的演化. 本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods) 程序, 研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量,影响涡量的输运和分布,从而影响界面的演化.本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods)程序,研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N_2气柱(气柱外为SF_6)的演化过程,并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律.在数值模拟中,选取了不同的反射距离(定义为气柱和反射边界的距离),得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像,提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据,重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势.研究表明,反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态,从而影响斜压涡量的生成和分布,进而改变气柱的不稳定性演化过程.对于三维气柱,不同高度截面上的斜压涡量分布不同,从而诱导出复杂的三维演化结构.