斜界面Rayleigh-Taylor不稳定性混合实验研究

 实验研究了不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性湍流混合区的混合不对称性特征。利用高压气体加速装有不同液体的箱体,加速度方向由轻液体指向重液体,此时界面是R-T不稳定性的。利用阴影测试技术,研究了初始倾角9°的ZnCl₂溶液/正己烷斜界面的演化规律,得出混合区内混合不对称、斜界面倾角渐增的规律。     

二维Rayleigh-Taylor不稳定性组分剖面与Atwood数相关性

由Rayleigh-Taylor不稳定性引起的湍流混合广泛存在于自然现象和工程应用中.在重力场作用下，将重流体置于轻流体之上，系统处于平衡状态.此时，在轻重流体界面处添加微小扰动，重流体向下形成尖钉，轻流体向上形成气泡，轻重流体进入湍流混合状态，系统失去稳定状态，进入失稳过程.组分剖面揭示了流场在任意时刻任意高度上的成分，从而揭示了Rayleigh-Taylor不稳定性的发展过程.利用计算流体力学软件CFD2模拟常加速度场下二维多模Rayleigh-Taylor不稳定性的发展，研究了重流体组分剖面随Atwood数的变化.文章对比了Atwood数为0.1，0.5，0.9这3种情况下质量分数剖面.在利用气泡高度h_b和尖钉深度h_s对高度做归一化之后，质量分数剖面不依赖于密度比.在不同密度比下，质量分数曲线都满足f_m~$\frac{1}{2}{\mathop{\rm erf}\nolimits} \left( {4\left( {\frac{{y-{h_{\rm{s}}}}}{{{h_{\rm{b}}}-{h_{\rm{s}}}}}-\frac{1}{2}} \right)} \right) + \frac{1}{2}$.      

X光照相技术应用于果冻内爆实验的研究

果冻内爆实验是一种研究柱形汇聚条件下Rayleigh-Taylor不稳定性的实验方法,由于高速摄影图像不能分辨反弹阶段果冻内界面的扰动,因此采用中低能X光照相CCD相机接收技术开展果冻与气体混合区域的实验研究,获得了果冻环在不同时刻压缩、反弹的发展状况及其内外边界,并观测到果冻质量分数降低时果冻与气体混合界面的变化。实验结果表明:X光照相可作为测量湍流混合区域的半定量测试技术,有助于研究果冻内爆中的气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性现象。     

液-液斜界面R-T失稳特征的实验研究

实验研究了不同加速度下不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性诱导湍流混合区的发展特征。利用高速阴影测试技术研究了硅油/碘化钾溶液界面R-T不稳定性诱导界面的演化规律,定量分析了混合区发展宽度、界面倾角与时间的关系。通过实验结果分析得出:水平界面与斜界面混合区宽度演化的差别主要体现在后期,前、中期两者演化规律基本一致;界面倾角的演化呈现出两种不同的趋势,随时间先呈抛物线增长,随后线性增长,演化后期流体界面发生翻转;由R-T不稳定性诱导的界面混合与K-H不稳定性诱导的界面混合呈相互竞争的关系。     

微喷颗粒与气体混合过程的数值模拟研究

冲击波作用下金属与气体界面将发生微喷混合现象,即金属表面产生的微喷射物质在气体中的输运过程.提出采用散体颗粒分布代替微喷初始状态,基于气体-颗粒两相流模型对微喷混合现象进行了模拟研究.数值模拟给出了微喷混合的动力学演化过程,分析了初始气体压力和颗粒尺寸因素对混合层的影响规律;在数值模拟中发现了微喷颗粒的气动破碎现象,这可导致颗粒尺度明显减小,成为影响微喷混合演化性质的重要物理因素.本文模拟结果与相关实验结果取得一致,初步表明,气粒两相流模型是模拟微喷混合过程的一种有效方法.     

不同界面组分分布对Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.     

Rayleigh-Taylor不稳定性的Runge-Kutta间断有限元模拟

 采用发展后的间断有限元方法,对Rayleigh-Taylor不稳定性进行了数值模拟。在计算中采用Level-Set方法进行界面追踪,用虚拟流体方法（Ghost Fluid Method,GFM）对界面附近物理量进行等压装配。对两个典型的Rayleigh-Taylor不稳定性算例的数值研究结果表明,采用该方法计算含有接触间断的多介质流体力学问题是有效的,在交界面附近不出现伪振荡,具有较高的分辨率。     

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.     

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.      

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

Resistive drift instability and Rayleigh-Taylor instability in a dusty plasma

The resistive drift instability and the Rayleigh-Taylor instability are studied self-consistently in a magnetized inhomogeneous dusty plasma. The effect of grain charge fluctuations is taken into consideration. It is found that the presence of the dust grains in the plasma can significantly affect the resistive drift instability but less significantly the Rayleigh-Taylor instability. Further, the grain charge fluctuation has a tendency to stabilize both instabilities.     

一个用于界面不稳定性实验研究的竖式激波管

 研制了一个可用于气-气界面Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性、气-液界面Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性、气-液界面RT和RM耦合不稳定性实验的竖式激波管装置,配备了相应的光学电学测量系统,给出了装置的主要技术参数,以及典型实验的压力-时间曲线。利用这套实验装置,可以精确地控制不稳定性的初始扰动界面,观测记录界面演化发展全过程。     

Jeans stability of dusty space plasmas

The Jeans stability of dusty plasmas is re-considered. In contrast to a gas, a dusty plasma can support a plethora of wave modes each potentially able to impart to the dust particles the randomising energy necessary to avoid Jeans collapse on some length scale. Consequently, the analysis of the stability to Jeans collapse is many-fold more complex in a dusty plasma than it is for a charge-neutral gas. After recalling some of the fundamental ideas related to the ordinary Jeans instability in neutral gases, we extend the discussion to plasmas containing charged dust grains. Besides the usual Jeans criterion based upon thermal agitation, we consider two other ways of countering the gravitational collapse: (i) via the excitation of dust-acoustic modes and (ii) via a novel Alfvén-Jeans instability, where perturbations of the dust mass-loaded magnetic field counter the effects of self-gravitation. These two mechanisms yield different minimum threshold length scales for the onset of instability/condensation. It is pointed out that for the study of the Jeans instability produced by density enhancements induced in the plasma by the presence of normal wave modes, even more prohibitive plasma size constraints must necessarily be satisfied.     

Interaction among the normal modes of the Rayleigh-Taylor instability

We describe the interaction among the normal modes of the Rayleigh-Taylor instability in stratified fluids subjectec to a constant acceleration. We find that all the modes as well as the initial conditions at all the interfaces influence the evolution of perturbations at any one interface.     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

Large-Scale Transport of Charged Macroparticles Induced by Dust–Acoustic Solitons

We have studied experimentally the oscillatory process in the dusty plasma in the glow discharge stratum. It is shown that the oscillations are induced by the dust–acoustic instability, as a result of which dust–acoustic solitons are excited. The motion of dust particles in the electric field of solitons has been analyzed. It has been established that a soliton leads to a large-scale unidirectional transport of charged particles in the direction of its motion. The experimental results have been interpreted theoretically using the MHD model of the plasma.     

Rayleigh-Taylor instability in variable density swirling flows

Using linear instability theory and nonlinear dynamics, the Rayleigh-Taylor instability of variable density swirling flows is studied. It is found that the flow topology could be predicted, when the instability sets in, using a function χ dependent on density and axial and azimuthal velocities. It is shown that even when the inner axial-flow is heavier than the outer one (a favorable case for the development of the Rayleigh-Taylor instability thanks to the centrifugal force) the instability is not necessarily Rayleigh-Taylor-dominated. It is also shown that when the Rayleigh-Taylor instability develops, it is helical.