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.     

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...     

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

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...     

柱面汇聚冲击界面不稳定性的理论计算

根据流体力学界面不稳定性的线性理论，结合流体动力学零级量的计算程序，计算了柱面汇聚的界面不稳定性问题，给出的扰动发展结果与实验符合较好。     

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 particlehydrodynamics,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.      

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.     

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...     

平面激波加载下砂墙结构的冲击响应特性

砂墙结构在爆炸安全防护领域具有广泛应用,为了研究激波加载下砂墙结构的冲击响应特性,基于水平激波管实验装置,开展平面激波冲击砂墙结构系列实验,采用高速纹影摄像系统捕捉流场中激波波系的演化过程和砂墙结构的运动过程。入射激波马赫数为1.827~2.413,相应入射激波载荷强度为0.378~0.724 MPa。砂墙结构利用铁砂、矾土、石英砂3种实验用砂制备,所制备砂墙结构孔隙度分别为56.6%、69.3%、56.6%。高速纹影照片显示:平面激波冲击砂墙结构发生反射和透射,伴随入射激波和透射激波的传播,在百微秒内,砂墙未产生显著运动,表现出显著的类固体动力学响应特性。基于冲击理论,确定了铁砂墙、矾土砂墙、石英砂墙的线性冲击关系,冲击关系中线性常数λ值量级为100,根据凝聚介质实用状态方程推断:较低强度载荷冲击作用下,砂墙主要产生体积变形,而由冲击引起的热能效应则可以忽略。     

平面激波绕半圆柱时三波点轨迹的光测实验研究

本文是通过纹影方法,在激波管中进行有关平面激波绕半圓柱时三波点轨迹的实验研究。实验是在北京大学力学系的试验段截面积为50×200mm~2的激波管上进行的,在入射激波马赫数Ma的变化范围为1.14≤Ma_1≤2.10的条件下,针对平面激波绕半圆柱时三波点轨迹的变化趋势和从规则反射(RR)到马赫反射(MR)的转换。临界角θ_((?))以及中远区三波点轨迹的斜率等问题进行了讨沦和分析。将本文的实验结果同理论曲线以及Iton和Heilig等人的结果进行了对照和比较。     

柱面会聚冲击界面不稳定性实验研究

使用柱面炸药网络引爆柱面炸药，推动伍德合金－水叠层加速，用高速分幅相机测得了界面初始扰动的不稳定性发展，幅度从原来的－４．３ｍｍ发展到了＋５．２ｍｍ的结果。     

冷激波灭火系统中激波对灭火效果和周边环境的影响

为了评估冷激波灭火弹爆炸后形成的激波对灭火效果和周边环境的影响,建立了一套纹影实验装置。通过纹影实验,观察了小尺寸下不同灭火介质爆炸抛撒后激波的形成和传播,并推算了冷激波灭火弹爆炸后油盆边缘附近的波后质点速度。观察发现,水基灭火介质爆炸抛撒后没有形成激波;而粉基灭火介质尽管爆炸抛撒后形成激波,但在油盆边缘附近激波强度较弱,波后质点速度小。与介质抛撒引起的可燃气体介质运动相比,激波对加快可燃气体介质运动的影响可以忽略。最后,通过高速摄影实验验证了激波对灭火效果的影响是可以忽略的。因此,冷激波系统中,激波对灭火效果和周边环境的影响是可以忽略的。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响

Rayleigh-Taylor不稳定性存在于爆炸、液滴形成和液体喷雾等工程应用过程中, 是流体力学关注的经典问题之一. 内空泡振荡诱导液滴界面演化问题是其研究中基本模型之一, 空泡振荡作用下液滴界面发生扰动并发展, 其特征形态主要表现为破碎、通气和稳定. 液体黏性是影响界面不稳定性发展的重要因素, 文章通过建立高精度的数值模拟方法, 开展液体黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响研究. 在数值模拟中, 基于开源OpenFOAM框架的多相可压缩求解器直接求解Navier-Stokes方程, 采用isoAdvector的几何流体体积法捕捉界面演化特征. 结果表明, 液体黏性的增加会减缓空泡的收缩, 进而减缓液滴界面扰动的发展, 该影响下通气工况液滴通气发生时间增加, 而稳定工况最大扰动幅值减小. 最大扰动幅值的减小直接影响了液滴的特征形态, 基于一系列数值模拟结果归纳得到液滴不稳定性相图. 在文章讨论的参数范围内, 随着黏性增加, 小液滴(R_d0 < 2 mm)的形态从破碎转变为通气进而变成稳定; 中液滴(2 mm < R_d0 < 3 mm)的形态从通气转变为稳定, 不出现破碎形态; 而大液滴(R_d0 > 3 mm)的形态不随液体黏性改变, 液滴形态会随着液体黏性增加趋于稳定.