球形重质气体物理爆炸特性

基于大涡模拟方法,结合高阶混合格式,对高压重质的SF₆球形气云在空气中爆炸进行了模拟。数值模拟表明,爆炸产生的激波经过气体分界面时分为透射激波以及反射稀疏波,透射激波导致气体分界面处Richtmyer-Meshkov失稳增强,从而加速了2种气体的混合,而反射的稀疏波经过汇聚,在球心处形成二次激波,在该强激波作用下,流场区域基本呈现湍流形态。     

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。     

激波诱导火焰变形、混合和燃烧的数值研究

为了深入研究激波诱导的火焰变形以及由此带来的混合和燃烧变化特性,采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高网格分辨率,对平面入射激波及其反射激波诱导球形火焰变形的现象进行了二维数值研究,计算结果与实验结果较好吻合。研究结果显示,在反射激波作用前,火焰的变形和皱褶主要受入射激波诱导等物理过程影响;而在反射激波与失稳火焰作用后,燃烧放热率、火焰有效面积和界面长度均迅速增加,控制火焰变形的机制逐渐向化学反应(燃烧)过程过渡;在失稳火焰发展的后期,增强的燃烧过程能够削弱火焰界面的皱褶,进而抑制未燃气和可燃气的混合。由此可以得出结论,激波诱导的火焰界面通过变形可促进界面两侧未燃气与可燃气的混合,进而强化燃烧过程,但燃烧的增强却反过来能抑制混合;认识两者之间的关系有助于利用或控制激波 火焰相互作用过程。     

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.     

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。     

球形气泡实验中肥皂膜运动特性的初步探讨

肥皂膜是激波加载球形气泡的实验研究工作中分隔不同气体的材料,它在激波加栽下的运动发展特征在已有工作中并未受到关注。本文对弱激波加栽球形气泡实验中肥皂膜的运动特性的分析认为,在肥皂膜的运动中存在着由激波和波后气流驱动导致的聚能射流运动现象,并用相关的实验结果进行了验证。由于肥皂膜的这种运动特性,在理论、实验和数值模拟研究中不应忽视它对球形气泡演化发展的影响。     

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.     

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.     

激波与涡对相互作用的实验研究

在方截面激波管中进行了平面运动激波和涡对的二维相互作用实验，研究了激波与同向涡对、激波与反向涡对相互作用的非定常过程．根据实验照片，分析讨论了作用过程中激波的变形，二次激波和三波点的形成、演变，激波与激波的相互作用，以及旋涡结构的变化等．实验表明，激波通过涡核时，激波发生剧烈变形，旋涡强度增大，涡核形状改变．     

小扰动界面形态对RM不稳定性影响的数值分析

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.      

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.     

Experimental study of the shock–bubble interaction with reshock

The interaction of a planar shock wave with a spherical density inhomogeneity is studied experimentally under reshock conditions. Reshock occurs when the incident shock wave, which has already accelerated the spherical bubble, reflects off the tube end wall and reaccelerates the inhomogeneity for a second time. These experiments are performed at the Wisconsin Shock Tube Laboratory, in a 9m-long vertical shock tube with a large square cross section (25.4×25.4 cm²). The bubble is prepared on a pneumatically retracted injector and released into a state of free fall. Planar diagnostic methods are used to study the bubble morphology after reshock. Data are presented for experiments involving two Atwood numbers (A = 0.17 and 0.68) and three Mach numbers (1.35 < M < 2.33). For the low Atwood number case, a secondary vortex ring appears immediately after reshock which is not observed for the larger Atwood number. The post-reshock vortex velocity is shown to be proportional to the incident Mach number, M, the initial Atwood number, A, and the incident shock wave speed, W _i.     

Richtmyer–Meshkov instability on a low Atwood number interface after reshock

The Richtmyer–Meshkov instability after reshock is investigated in shock tube experiments at the Wisconsin Shock Tube Laboratory using planar laser imaging and a new high-speed interface-tracking technique. The interface is a mixture of helium and argon (50% each by volume) stratified over pure argon. This interface has an Atwood number of 0.29 and a near single-mode, two-dimensional, standing wave perturbation with an average amplitude of 0.35?cm and a wavelength of 19.4?cm. The incident shock wave of Mach number 1.92 accelerates the interface before reflecting from the shock tube end wall with M =?1.70 and accelerating the interface in the opposite direction. The amplitude growth after reshock is reported for variations in this initial amplitude, and several amplitude growth rate models are compared to the experimental growth rate after reshock. A new growth model is introduced, based on a model of circulation deposition calculated from one-dimensional gas dynamics parameters. This model compares well with the amplitude growth rate after reshock and the circulation over one-half wavelength of the interface after the first shock wave and after reshock.     

A three-dimensional numerical study on instability of sinusoidal flame induced by multiple shock waves

The instabilities of a three-dimensional sinusoidally premixed flame induced by an incident shock wave with Mach = 1.7 and its reshock waves were studied by using the Navier–Stokes(NS) equations with a single-step chemical reaction and a high resolution, 9th-order weighted essentially non-oscillatory scheme. The computational results were validated by the grid independence test and the experimental results in the literature. The computational results show that after the passage of incident shock wave the flame interface develops in symmetric structure accompanied by large-scale transverse vortex structures. After the interactions by successive reshock waves, the flame interface is gradually destabilized and broken up, and the large-scale vortex structures are gradually transformed into small-scale vortex structures. The small-scale vortices tend to be isotropic later.The results also reveal that the evolution of the flame interface is affected by both mixing process and chemical reaction. In order to identify the relationship between the mixing and the chemical reaction, a dimensionless parameter, η, that is defined as the ratio of mixing time scale to chemical reaction time scale, is introduced. It is found that at each interaction stage the effect of chemical reaction is enhanced with time.The enhanced effect of chemical reaction at the interaction stage by incident shock wave is greater than that at the interaction stages by reshock waves. The result suggests that the parameter η can reasonably character the features of flame interface development induced by the multiple shock waves.     

流动肥皂膜气体界面及其在柱状汇聚激波作用下演化的实验研究

在Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性实验研究中,形成两种不同密度流体的初始扰动界面是前提和关健.本文提出了一种流动肥皂膜气体界面生成方法,其工作原理是由细丝构成的导流框从激波管实验段穿过,肥皂液从导流框的上端注入并在重力作用下在导流框中形成流动肥皂膜,膜的两测可以分别充入不同密度的气体从而形成稳定的气体...     

Super-spherical cumulation: shock collapse which is more intense than the spherical one

A shock wave implosion in an axisymmetric chamber with a convex bounding wall is studied experimentally, analytically and numerically. The converging shock front area in this geometry shrinks quickly as the shock wave approaches the center point. The analytical theory predicts that the corresponding rate of post-shock pressure and density increase in this case exceeds essentially that achieved in the classical cylindrical or spherical shock implosions, hence, the phenomenon is referred to as “super-spherical cumulation”. The experiments confirm higher intensity of the super-spherical implosion compared with the cylindrical one, both driven by identical high-current pulsed electric discharges. The converging shock stability is analyzed in the framework of the CCW theory. The numerical results obtained using a locally-adaptive unstructured grid technique agree well with the theoretical predictions of the converging shock wave intensity. Received 28 January 1998 / Accepted 6 November 1998