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.     

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HOW...     

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。     

激波诱导环形SF6气柱演化的机理

基于可压缩多组分Navier-Stokes控制方程,结合5阶加权本质无振荡格式以及网格自适应加密技术和level-set方法,数值模拟了平面激波(Ma=1.23)与环形SF₆气柱(内外半径分别为8和17.5 mm)界面的相互作用过程。相比于之前的实验结果,数值模拟结果揭示了入射激波在界面内4次透射过程中的复杂波系结构,观察到透射激波在内部界面传播时形成自由前导折射结构并向自由前导冯诺依曼折射结构转换的波系演变过程;另外,界面内的复杂激波结构诱导内部下游界面上的涡量发生了3次反向;在界面演化后期,内部界面形成的“射流”结构与下游界面相互作用,诱导界面形成一对主涡、一对次级涡以及一个反向“射流”结构。定量分析了环形界面长度、宽度、位移、环量以及混合率的变化情况,结果表明,内部气柱的存在减弱了前期小涡结构合并形成大涡结构过程中对界面高度与长度的影响,同时提高了重质气体与环境气体的混合率。     

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...     

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-viscousflow 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。     

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.     

柱状交界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究

采用基于有限体积法的二阶Godunov格式模拟了柱形密度交界面在同轴激波加速下的演化过程。得到了以下初步结果:在参数相同的情形下,内聚激波比中心爆炸波对界面的扰动更危险;内聚激波从轻质流体进入重质流体与从重质流体进入轻质流体相比,界面有更快的增长。周向波数大小对界面增长率有很大的影响,在计算的参数下,n=8～12有最大增长率,大于和小于这个范围的周向波长,增长率均明显减弱。     

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。     

圆柱形汇聚激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定的SPH模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.     

Development of the Richtmyer-Meshkov instability upon interaction of a diffusion mixing layer of two gases with shock waves

Based on the previously formulated mathematical model of mechanics of a two-velocity two-temperature mixture of gases, the evolution of an initially disturbed mixing layer of two gases with different densities under the action of shock waves is considered in a two-dimensional unsteady approximation. Problems of interaction of shock waves with a sinusoidally disturbed diffuse layer are solved numerically. The predicted variation of the mixing-region width are in satisfactory agreement with experimental data. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 3, pp. 3–11, May–June, 2005.     

Experimental study of the Richtmyer-Meshkov instability induced by a Mach 3 shock wave

An experimental investigation of a shock-induced interfacial instability (Richtmyer-Meshkov instability) is undertaken in an effort to study temporal evolution of interfacial perturbations in the late stages of development. The experiments are performed in a vertical shock tube with a square cross-section. A membraneless interface is prepared by retracting a sinusoidally shaped metal plate initially separating carbon dioxide from air, with both gases initially at atmospheric pressure. With carbon dioxide above the plate, the Rayleigh-Taylor instability commences as the plate is retracted and the amplitude of the initial sinusoidal perturbation imposed on the interface begins to grow. The interface is accelerated by a strong shock wave (M = 3.08) while its shape is still sinusoidal and before the Kelvin-Helmholtz instability distorts it into the well known mushroom-like structures; its initial amplitude to wavelength ratio is large enough that the interface evolution enters its nonlinear stage very shortly after shock acceleration. The pre-shock evolution of the interface due to the Rayleigh-Taylor instability and the post-shock evolution of the interface due to the Richtmyer-Meshkov instability are visualized using planar Mie scattering. The pre-shock evolution of the interface is carried out in an independent set of experiments. The initial conditions for the Richtmyer-Meshkov experiment are determined from the pre-shock Rayleigh-Taylor growth. One image of the post-shock interface is obtained per experiment and image sequences, showing the post-shock evolution of the interface, are constructed from several experiments. The growth rate of the perturbation amplitude is measured and compared with two recent analytical models of the Richtmyer-Meshkov instability.PACS: 52.35.Py, 52.35.Tc     

二维会聚波在气体内传播不稳定性的数值模拟

利用CE/SE(conservation element and solution element )格式研究了柱面会聚波在气体中传播时间断面的不稳定问题和波阵面的演变问题,并利用level set函数追踪了驱动气体与低压气体间断面的发展过程。得到了间断面的Rayleigh-Taylor(R-T)和Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性发展成典型的尖钉和气泡结构的图像,初始正弦扰动下的会聚波产生尖角和尖瓣结构。结果表明,CE/SE格式在涉及会聚波的数值计算中是可行的。     

Hot-wire method for measurements of turbulent mixing induced by Richtmyer-Meshkov instability in shock tube

A constant temperature hot-wire anemometry method is applied to the study of mixing zones induced by the interaction of a shock wave with Mach number 1.25 in air with air/helium (heavy/light), air/argon or air/krypton (light/heavy) initially plane interfaces. The single wire gauge is positioned at various locations along the shock tube axis. At the present stage of our investigation, although the analysis of the hot-wire signal is not achieved yet, we report the interesting concept of using hot-wire anemometry as a diagnostic method for shock tube studies of the Richtmyer-Meshkov instability. Based on this preliminary work, we discuss prospective experimental signal conversion, in order to provide some new results for this field of investigation, in particular for resolving characteristics of the turbulent mixing zone which is of most interest. Received 3 August 2000 / Accepted 15 February 2001     

磁场对激波冲击R22重气柱作用过程影响的数值模拟

为研究平面入射激波与磁化R22重质圆形气柱的作用过程,首先通过数值方法得到了不同初始条件下激波诱导R22气柱的Kelvin-Helmholtz (KH)及Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性导致的重气柱变形过程,并详细讨论了不同情况下透射激波在气柱内聚焦诱导射流的过程;然后在加入磁场的情况下,采用CTU+CT算法进行数值模拟,以保证数值结果满足任意时刻磁场的散度为零。计算结果表明:磁场对激波诱导R22气柱不稳定性具有抑制作用;法向磁场和流向磁场都可以很好地抑制RM不稳定性;对于KH不稳定性,法向磁场的控制效果更好,不仅可以抑制界面上涡串的卷起,还可以阻止主涡的发展,而流向磁场做不到后者;磁场对射流影响不大,射流处的磁能量可以一定程度上抑制射流的衰减,同时法向磁场可以减小聚焦时压力及速度峰值。