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.

柱状汇聚激波冲击重气柱不稳定性的数值研究

采用有限体积法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值研究了二维重气柱在柱状汇聚激波及其反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展,并比较了平面激波条件和不同汇聚角度条件下激波和界面的演化过程.气柱界面内气体为六氟化硫(SF6),环境气体为空气,柱状汇聚激波在汇聚中心形成反射激波,平面激波与右端固壁作用形成反射激波.结果表明,柱状汇聚激波及其反射激波作用下的气柱演化、界面位置变化、尺寸变化及环量变化与平面激波及其反射激波作用下的情形有着显著差别,同时,不同汇聚角度也具有一些影响,揭示了柱状汇聚激波及其反射激波作用下的界面演化机理.

汇聚激波诱导具有正弦扰动双层重气柱界面的演化机理

基于可压缩多组分Navier-Stokes方程,结合5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式以及结构化自适应网格加密技术,数值研究了汇聚激波冲击不同初始扰动幅值和气层厚度的双层SF重气柱界面不稳定性演化过程,揭示了界面与激波结构相互作用及演变机理,定量分析了环量、混合率及湍动能的变化规律,并对涡量进行动模态分解.结果表明:初始扰动幅值较大的条件下,气层内界面内外均形成马赫反射结构并在中心发生多次激波聚焦,激波穿透外界面后环量增速更大,内界面“尖钉”“气泡”更早发展,内外界面幅值与混合率增速更大.气层厚度较大时,透射激波在重气柱内移动时相位发生改变,使得内界面波峰向外发展而波谷向内发展.气层厚度较小时,内界面生成“尖钉”“气泡”较晚且不明显.通过动模态分解可以发现:耦合效应弱时,低频弱增长的动模态决定了主干结构,低频弱增长的动模态决定了主干结构上正负涡量的交换,而高频弱增长的动模态决定了界面上正负涡量的快速交换.

非定常汇聚激波反射与折射研究进展

非定常激波反射及折射由于其重要的科学及工程意义,成为了近年来激波反射及折射研究领域的热点.平面激波在曲面上的非定常反射现象近些年得到了较多的研究,在这个过程中激波强度不变,入射角随着曲面曲率的变化而不断改变,从而出现波系转变现象.当一道曲面激波在固壁上反射时,激波强度以及入射角均不断发生改变,从而有可能对波系现象有较大的影响.但实验室条件下生成具有特定变化规律的曲面激波一直是一个难题.翟志刚等人通过激波动力学理论提出并实现了将平面激波光滑转变为柱形汇聚激波的方法.在设计的水平汇聚激波管中开展了非定常汇聚激波反射及折射研究.本文介绍了本实验室近几年在非定常汇聚激波反射与折射方面的研究进展,重点关注了持续变化的入射角以及流场的非定常性对波系转变的影响,并提出了未来的研究方向.

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。

激波汇聚效应对球形气泡演化影响的数值研究

利用三维程序,对比研究了汇聚激波及平面激波冲击下SF6球形气泡演化规律的异同,以期发现激波的汇聚效应对界面演化的影响.三维程序采用多组分可压缩欧拉方程,基于有限体积法,利用MUSCL-Hancock格式进行数值求解,可以达到时间和空间的二阶精度.相比平面激波,汇聚激波由于存在曲率,且激波强度以及壁面效应在汇聚激波运行的过程中逐渐增强,使得激波冲击后的流场演化有较大的不同.计算结果表明:汇聚激波作用下,气泡界面的涡结构更加尖锐;气泡内部的透射激波聚焦程度更强,在界面下游附近形成的最高压力大于平面激波算例,由此产生的射流运动速度更快;由于汇聚激波曲率及激波强度的变化,导致界面上涡量的分布规律以及涡量幅值产生较大变化.通过界面上产生的环量以及界面内外气体混合速度的对比表明,汇聚激波更有助于涡量的产生以及气体的混合.因此激波的汇聚效应对气泡界面演化具有重要影响.

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键。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,膜的两侧可以分别充入不同密度的气体从而形成稳定的气体界面。改变导流框的结构可以得到多种界面形状,包括平面、柱形、分段光滑、弯曲和多层结构等。结果表明,该界面厚度小,易于形成特定的形状,与激波管实验段相匹配,而且维持时间足够长。本文利用流动肥皂膜气体界面生成方法开展了一种竖直界面在柱状汇聚激波冲击下演化的实验研究,通过高速纹影法获得了柱状汇聚激波的形状变化,得到了竖直SF6/空气界面RM不稳定性演化的整个过程。

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法,对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强,圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet(CJ)爆轰波速,而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现,该反应锋面本质上是一种“自发反应波”(spontaneous reaction wave),而非常规意义上的动力学波,其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后,反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下,伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下,由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境,自发反应波可再次赶超爆轰波,成为新的燃烧波前;而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时,它将再次转变为爆轰波;在此过程中,原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。

液电脉冲激波肉类嫩化研究

提高肉类嫩度一直是肉类加工科学的研究重点。其中将液中高压脉冲放电产生的强力激波作用于肉制品是一种纯物理提高肉类嫩度的新型方法。本文构建了液电脉冲激波肉类嫩化试验平台,通过试验和数值模拟两方面分析了作用到肉类表面的激波强度,并以牛、羊、猪里脊为研究对象,基于剪切力肉类嫩度测试方法评估了多次激波作用对肉类嫩度提高的效果。试验结果表明,较少的激波作用次数即可使肉类嫩度值下降14%以上,且试验平台中的液电脉冲激波嫩肉装置可以有效地汇聚激波、增加肉类表面的激波强度。

球形汇聚-反射激波作用下湍动能方程的模化

球形激波与湍流间的相互作用在惯性约束聚变(ICF)、超新星爆发、冲击波碎石等许多工程问题中有重要意义.本文通过直接数值模拟,研究了球形激波的汇聚与反射诱导的湍流及其相互作用问题,分析了这一流动的特点和湍流的产生机制.重点讨论了该流动的湍动能系综平均方程中各项的作用和起主导作用的物理机制,发现传统的剪切湍流的产生机制和黏性项量级普遍偏小,激波才是诱发湍流的主要因素,因而在湍动能方程中起主导作用.由于激波的主导作用,压力脉动对湍动能方程有重要影响,与压力脉动有关的各个项在湍动能方程中均起重要作用.一些在一般湍流中可以忽略的项,例如质量流量项、压力体胀项等,在球形汇聚-反射激波与湍流相互作用问题中起重要作用.本文还探讨了涡黏性模式的有效性,发现满足可实现性原理的涡黏性模式可以较好地模拟雷诺应力.同时,本文揭示了现有湍动能方程封闭模式在本问题的应用中存在很大误差,并尝试对这些项提出新的封闭模式.