扩散型气柱界面R-M失稳中混合率的实验研究

Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性普遍存在于众多工程问题中,激波管实验是研究R-M失稳问题的主要手段.高精度的平面激光诱导荧光(planar laser-induced fluorescence,PLIF)技术具有分子量级的示踪能力,可获得界面气体浓度(摩尔分数)分布,为研究界面失稳混合问题提供了有力工具.在弱激波(Ma=1.25)冲击扩散型气柱界面实验中,采用PLIF技术对R-M失稳引起的SF6-Air界面混合问题进行了研究.通过改变椭圆形初始界面的长短轴比,得到了3种扩散型初始界面失稳演化过程中气体摩尔分数,观察到了斜压机制下界面的简单拉伸、二次不稳定性、挤压射流等现象.利用浓度分布进一步得到了界面的瞬时混合率,通过瞬时混合率、界面整体平均混合率以及混合率的概率密度分布,分析了界面在不同演化阶段的界面混合特征,初步讨论了界面失稳混合的机制.演化初期,界面在斜压涡的作用下发生拉伸卷曲,通过增大浓度梯度来促进界面的混合.当演化进一步发展,二次不稳定性出现后,界面通过小尺度对流的方式达到湍流混合状态,而浓度梯度驱使的分子间混合逐渐减弱.由浓度梯度引起的扩散与由二次不稳定性引起的对流存在着"竞争"关系,二者共同主导了界面的混合.     

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。     

激波冲击下air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性

实验研究了低马赫数(1.27)激波作用air/SF6界面的RM不稳定性问题.air/SF6初始正弦界面由厚度为1～2 μm的薄膜相隔得到,用阴影法测试界面演化过程.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-Helm-ho...     

低温下JB-9014钝感炸药DSD参数研究

 爆轰冲击波动力学（Detonation Shock Dynamics,DSD）是目前研究爆轰波非理想传播的有效途径。利用DSD的广义几何光学模型,研究了大长径比药柱中爆轰波非理想传播现象,根据-30 ℃下直径为10～30 mm药柱的直径效应实验数据,利用遗传算法确定了低温下JB-9014钝感炸药的DSD参数。由DSD参数计算得到了JB-9014药柱中的定态波形和爆速,计算结果与实验结果符合。     

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。     

激波管实验和果冻实验界面不稳定性数值计算

运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学粘性以及热流部分对流场的影响,将可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法MFPPM发展到适用于NS(Nayier Stokes)方程的可压缩多介质粘性流体计算方法MVPPM.通过与界面不稳定性实验结果的比较,来检验计算方法的正确性,并验证计算程序的有效性.主要包括一个激波管实验和两个果冻实验,即英国AWE(Atomic Weapons Establishment)激波管实验和LLNL实验室的果冻环实验以及中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的爆轰驱动下单层果冻界面不稳定性实验.研究结果表明:数值模拟结果与实验测量结果以及对应时刻的实验图象均吻合较好.     

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。     

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.     

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.      

Vertical rotation effect on turbulence characteristics in an open channel flow

This paper solves the three-dimensional Navier-Stokes equation by a fractional-step method with the Reynolds number Reτ=194 and the rotation number Nτ=0-0.12. When Nτ is less than 0.06, the turbulence statistics relevant to the spanwise velocity fluctuation are enhanced, but other statistics are suppressed. When Nτ is larger than 0.06, all the turbulence statistics decrease significantly. Reynolds stress budgets elucidate that turbulence kinetic energy in the vertical direction is transferred into the streamwise and spanwise directions. The flow structures exhibit that the bursting processes near the bottom wall are ejected toward the free surface. Evident change of near-surface streak structures of the velocity fluctuations are revealed.