高马赫数激波作用下单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

为了研究高马赫数激波冲击下的单模界面Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性,特别是高马赫数激波带来的热化学非平衡效应的影响,采用基于有限体积方法的二维高温非平衡流动程序,利用自适应非结构网格模拟了空气中高马赫数激波冲击两侧温度不同的单模界面导致的RM不稳定现象。研究中涵盖了轻/重界面和重/轻界面2种情况,涉及的激波马赫数范围分别为6~9和8~11。对比了冻结流、热非平衡流和热化学非平衡流3种气体模式下的流场演化过程,揭示了扰动增长和增长率的变化规律。通过对比扰动增长的线性理论和非线性理论,分析了初始激波马赫数和初始扰动尺度的变化对RM不稳定性的影响,同时讨论了涡量场分布和环量的演化规律。结果表明,与冻结流相比,热化学非平衡流中透射激波、反射波及界面速度明显不同,扰动振幅增长率峰值降低,界面增长率脉动减弱,界面不稳定性增长速度变慢。通过对比多种理论模型和本文的数值模拟结果,发现Zhang-Sohn模型相对于其他模型更适用于高马赫数激波作用下的单模界面RM不稳定性问题。对涡量场的研究发现,有2个较强的涡量生成区域,一个位于界面上,另一个位于透射激波波后,这同低马赫数下涡量主要在界面上生成的结论显著不同。此外,热化学非平衡流中环量的幅值大小低于冻结流中的结果,这与热化学非平衡流中扰动的增长低于冻结流的结论对应。

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.

密度扰动的类Richtmyer-Meshkov不稳定性增长及其与无扰动界面耦合的数值模拟

靶丸材料内部扰动在冲击波作用后会产生类似Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的增长并耦合到烧蚀面产生扰动种子.本文使用数值模拟的方法研究了这种类RM不稳定性增长规律以及不稳定性与界面的耦合机制.研究表明,线性阶段密度扰动类RM不稳定性增长速度满足δv∝k_(y)△uη.密度扰动到界面的耦合有声波耦合和涡合并两种机制,声波耦合引起的界面扰动增长速度满足δ_(v i)/(k_(y)△uη)∝e^(-k_(y)L).界面上的Atwood数为正时,界面上涡量和密度扰动的涡量方向相同,涡合并导致扰动速度增大.Atwood数为正时,降低界面上的Atwood数以及增大界面上过渡层的宽度均可减小密度扰动耦合引起的界面扰动增长.

用垂直激波管研究多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性

使用竖直激波管对气-液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象进行了实验研究,构造了空气-硅油-水及空气-酒精-硅油两类流体界面,使用氦气作为高压驱动气体,进行了激波马赫数分别为M=1.50,1.85,2.25的实验;研究了流体黏性、激波强度以及表面张力对不稳定性发展的影响.通过分析实验数据,得到了气泡深度、尖钉高度及混合区域宽度随时间的变化关系,并发现在高马赫数下非线性变化关系明显.另外,研究了硅油层厚度对RM不稳定性的影响,提供了判断硅油层对RM不稳定性发生延迟的定量依据.

用湍流模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导的湍流混合

将k-ε模型应用到存在激波的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合的研究中,采用代数关系式补充模型的封闭假设,给出了合理描述RMI特征的湍动能产生项的表达式。采用该模型对两个激波管实验进行了模拟。通过与实验和文献中的直接模拟结果比较分析,验证了所采用的模型封闭、模型常数、数值算法、程序实现是合适的。

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∝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．

激波冲击下air/SF_6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!m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-holtz不稳定性,"尖钉"头部翻转成蘑菇头形状;之后,蘑菇杆破碎。扰动振幅发展的实验结果与Zhang-Sohn模型和PPM数值计算的结果较吻合。

气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

报道了在国内首次实现的矩形激波管内气/液界面上(即Atwood number,A1)的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象。实验在一台垂直矩形激波管中进行,得到了较低马赫数(M=1.36和1.58)下,多元扰动R-M不稳定性后期阶段气泡和尖钉高度对时间的增长规律,即气泡高度hb^t0.55±0.01,尖钉高度hs^t。当激波马赫数从1.36增加到1.58时,气泡和尖钉高度对时间的指数规律没有发生明显改变,气泡的增长速度没有受到影响,而尖钉增长速度却有大幅度的增加。同时还观察研究了多元扰动R-M不稳定性中典型的气泡竞争现象。

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。

单模态Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

采用VOF(Volume of Fluid)方法和PPM(Piecewise Parabolic Method)方法,发展了可用于可压缩多介质粘性流体动力学问题的数值模拟方法MVPPM(Multi-Viscous-Fluid Piecewise Parabolic Method)。利用MVPPM对多个具有不同初始扰动振幅的二维和三维单模态RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性模型进行了数值计算,并与理论模型的计算结果进行了比较。结果表明,无论二维还是三维情况,当初始扰动振幅相对于波长较小的时候,计算的扰动振幅和增长率与理论模型的计算结果一致。当初始扰动波长不变而振幅逐渐增大时,界面振幅和增长率也逐渐增大。对于具有相同初始扰动的情况,三维计算结果在线性段与二维计算结果相同,但是在非线性段比二维结果大,说明非线性和三维效应在RM不稳定性发展过程中起着重要作用。

用浮阻力模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合

采用浮阻力模型对激波管低压缩和激光加载高压缩情况下的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合现象进行了研究。通过与实验和理论分析结果进行比较发现：为了达到好的吻合,Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下阻力系数的取值范围（2.0~5.36）比Rayleigh-Taylor不稳定性情况下的值（3.3~4.0）宽得多;而在Richtmyer-Meshkov不稳定性情况下,高压缩时阻力系数的不确定度（约为3.36）明显高于低压缩时的值（约为1.46）,模型的进一步完善还有待于更精确实验的验证。研究显示：指数律经验公式中指数随工况的不同而显著变化,目前工程设计中采用指数律经验公式是粗糙的。

冲击波波后辐射效应对Richtmyer-Meshkov不稳定性增长影响的实验研究

辐射冲击波波后物质具有辐射属性,它通过扰动界面引起的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的增长有别于通常的冲击波.在高功率激光装置上开展冲击波波后辐射效应对界面不稳定性增长影响的实验研究,认识波后辐射对界面增长的影响过程及规律,有助于提高高能量密度条件下RM不稳定性演化规律的认识水平及预测能力.基于神光Ⅲ原型高功率激光装置,设计并开展了两种激光驱动条件下的界面流体力学不稳定性实验,研究波后辐射效应对界面RM不稳定性增长的影响.实验中在较高功率密度驱动条件下CHBr扰动样品未见明显的扰动增长,结合模拟分析发现较高功率密度条件下辐射前驱波波阵面和冲击波波阵面明显分离,辐射前驱波在冲击波到达扰动界面前烧蚀扰动界面,改变了界面的初始状态,界面不稳定性增长过程中密度梯度的增大和界面Atwood数的减小抑制了界面RM不稳定性的增长.

烧蚀材料对辐射烧蚀驱动的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响

在惯性约束聚变靶丸内爆过程中,辐射烧蚀所产生的冲击波经过带有扰动的界面时,会触发Richtmyer-Meshkov不稳定性。惯性约束聚变内爆靶丸一般使用掺杂的CH塑料或者掺杂的Be材料作为烧蚀层,为了探索Be和CH塑料烧蚀层对Richtmyer-Meshkov不稳定性抵抗能力,对界面预制单模正弦扰动的双层靶中Richtmyer-Meshkov不稳定性发展过程进行了理论分析与数值模拟。理论分析认为Richtmyer-Meshkov不稳定性线性增长率和X射线辐射温度、界面扰动波长、扰动振幅以及烧蚀层密度有较大关系。使用辐射流体力学程序对辐射温度高达100 eV的黑体谱X射线烧蚀界面带有扰动的双层靶进行了模拟。模拟结果表明,在相同的辐射烧蚀条件下,CH塑料/泡沫(CH/Foam)靶界面扰动增长比Be/Foam快,密度较大的Be对Richtmyer-Meshkov不稳定性具有更强的抵抗能力。该研究结果对惯性约束聚变内爆靶丸的设计具有重要的参考价值。

用二阶矩模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导湍流混合

发展了考虑密度脉动和各向异性湍流的二阶矩模型,强调了涉及湍流能量产生项的关联。采用该模型对Poggi等的激波管实验进行了模拟。通过与实验结果的比较分析,验证了采用的模型封闭、模型常数、数值算法和程序实现是合适的。在此基础上,进一步探讨了冲击马赫数和Atwood数对混合的影响。

高阶FD-WENO格式用于Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟

用双曲守恒律组的高阶加权本质上无振荡有限差分格式(FD-WENO)求解在众多领域有着重要应用的高马赫数二维流体界面Richtmyer-Meshkov不稳定性问题及激波与气泡相互作用问题,获得了较为理想的数值结果。表明高阶FD-WENO格式的确特别适合于求解这类既具有激波有具有复杂流动结构的流体动力学问题,它比通常的二阶Godunov格式(如PPM等)更为优越。

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。

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。

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。

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明:当流体的粘度梯度方向(从小到大的方向)与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。

纵向磁场抑制Richtmyer-Meshkov不稳定性机理

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU(corner transport upwind)+CT(constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性的发展;无磁场时,流场结构与Haas和Sturtevant(Hass J F,Sturtevant B 1987 J.Fluid Mech.18141)的实验结果相符;施加纵向磁场后,激波结构的演化基本无影响,但明显抑制了气柱界面的不稳定性.进一步研究表明,激波与界面的作用,使磁感线在界面上发生折射,改变流场的磁场梯度,在内外涡量层上形成磁张力.磁张力的形成,对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩,抑制了界面的失稳及主涡的卷起.另外,磁张力沿界面分布的不均匀,改变磁感线在界面上的聚集程度,放大磁能量,最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用.