RichtmyerMeshkov不稳定性的激波管实验研究论文.doc

目录摘要2Abstract 3第一章绪论4第一节研究背景和研究现状4一、 问题提出的背景4二、 Richtmyer-Meshkov不稳定性的基本概念4三、 R-M不稳定性问题的研究历史与研究现状6第二节 本文的主要工作9第二章实验原理与实验方法10第一节激波管理论的简要介绍10一、激波管流动模型的理想化10二、理想激波管流动参数的计算12三、 理想激波管可供实验的时间和最佳长度比14第二节界面的生成15一、肥皂液的配制及膜性质的初步研究15二、圆柱形界面及球状界面的生成18第三节实验装置与实验方法19一、 实验仪器介绍19二、 测量系统及同步控制20三、实验步骤及注意事项21第三章实验结果与分析24第一节激波与球形氦气泡相互作用的实验结果24第二节激波与柱状氦气泡相互作用的实验结果29第三节对柱状氦气泡改进后的实验结果36第四节本章小结38第四章结论与展望40参考文献41附录 激波管参数计算matlab程序43摘要Richtmyer-Meshkov不稳定性作为激波与流体界面作用时的一种典型现象,在界面运动稳定性,旋涡以及湍流形成机理方面有着重要学术意义和应用价值本文在传统的激波管中进行了平面激波与流体界面相互作用的实验。

激波管驱动段和被驱动段均为空气,通过压力传感器测量得到了激波马赫数同步控制系统采用延时信号触发器触发高压火花光源打火的办法同时,实验中还对界面的生成进行了探索,为满足初始界面要求,实验过程中采用在试验段吹一定形态〔球状、柱状〕的氦气泡来实现用传统的黑白纹影、彩色纹影对平面激波与界面作用失稳后的物理过程进行了刻画,得到了界面失稳的纹影图片,对界面变形的原因进行了分析,并对激波与球形气泡和柱形气泡的实验结果进行了对比分析关键词：R-M不稳定性 激波管 纹影AbstractRichtmyer-Meshkov instability is a typical phenomenon when a shock interacts with fluid interface.It is very important and valuablein the interface stability, vortex and the mechanical formation of overfall.In a traditional shock tube, a series of experiments have been carried out to characterize the interaction of a planar shock wave with discrete gas inhomogeneities. The shock wave Tube driving and driven parts are full of the air, the Mach number is measured by the pressure sensor. In order to guarantee the shock wave and the interface to meet at the windows, we usethe delaying signal triggers and high-voltage spark light sourceto get striking fire. At the same time, a spherical or cylindrical helium bubble was blow in the trial, which can satisfy the requirements of the initial interface. The flow visualizations were obtained using traditional schlieren and two dimension colorful schlieren. The instability of the interface after the shock wave through the helium bubble was recorded on schlieren pictures. The whole process of the instability of the interface was discussed and the reasons for the interface distortion were analyzed. At last, we compared the trial results of shock wave interacting separately with spherical bubbles and cylindrical bubbles.Keywords: R-M instability, Shock Tube, Schlieren第一章 绪论第一节 研究背景和研究现状一、问题提出的背景近三、四十年来,在惯性约束核聚变等重要需求背景驱动下,界面运动不稳定性研究在国际学术和工程界,尤其是发达国家日益受到高度重视。

这种激波-交界面的相互作用不仅在界面运动稳定性方面具有重要的学术意义,而且在超燃冲压发动机中的混合和燃烧、惯性约束热核聚变以及与掺混有关的工程实际等领域也具有重要的应用价值另外,Richtmyer-Meshkov不稳定性也是层流失稳过渡到湍流的一个重要途径,它的研究对于认识和理解湍流也具有重要的理论意义二、Richtmyer-Meshkov不稳定性的基本概念当运动激波穿过不同流体界面时,由于界面两边密度等参数的不同,在具有脉冲特征的激波驱动下会呈现出复杂的流动作用过程其中最为典型的现象之一是,界面上的扰动会随时间急剧增长,产生所谓Richtmyer-Meshkov不稳定性〔后文简称RM不稳定性〕激波加速界面产生失稳是由Markstein1957年首先发现的,然而对于这种不稳定性的严格的理论数值分析是由Richtmyer1960年提出的[1],Meshkov1969年的激波管实验[2]也证实了Richtmyer理论的正确性,所以这类问题称为Richtmyer-Meshkov不稳定性典型的Richtmyer-Meshkov不稳定性的发展演化如图1.2.1所示,上部流体中的激波向下运动并同两流体的交界面相互作用<图1.2.1a>,两流体初始状态为静止,并且在交界面上有一正弦初始扰动。

激波同交界面的相互作用会产生透射激波和反射波<图1.2.1b>,反射波可以是激波也可以是稀疏波,具体反射哪种类型的波,是由两流体的相对热力学性质来确定的,本示意图针对交界面上面为轻流体,下面为重流体,反射波为激波的情形图1.2.1c中激波同交界面的相互作用已完成,由于激波的压缩效果,交界面上的扰动强度开始会比较小；但是激波同交界面相互作用会在交界面上产生涡量,由于这个涡量的作用,交界面上的扰动会迅速发展,交界面的宽度也会迅速增加图1.2.1d表示的是后期的交界面演化情况,这时重流体会进入轻流体而形成"钉"状结构,而此时周围的轻流体会形成"泡"状结构,整个界面形成"蘑菇"状,这就是Richtmyer-Meshkov不稳定性的典型特征随着入射激波的强度不同,在R-M不稳定性的后期,在交界面上还会有明显的Kelvin-Helmholz不稳定性的存在在图1.2.2中为Jacobs所做的R-M不稳定性实验结果[3],给出了真实的演化过程<这里激波是从重流体进入轻流体>图1.2.1 R-M不稳定性的发展示意图图1.2.2 Richtmyer_Meshkov不稳定性激波管实验 〔Jacobs,PLIF ,1998〕三、R-M不稳定性问题的研究历史与研究现状同流体力学中的其它问题类似,R-M不稳定性的研究也主要分为理论分析、实验和数值模拟三个方面。

近半个世纪来国外学者对R-M不稳定性问题进行了大量的研究工作l 理论研究现状为了理解和预测Richtmyer-Meshkov不稳定性现象,许多人在理论上从不同的角度对这种现象进行了探讨主要有Richtmyer的脉冲模型理论[1]〔Richtmyer1960〕和可压缩线性理论,Hecht的Layzer型位势流模型〔Hecht1994〕[4],Fraley的渐进增长率预测〔Fraley1986〕[5],Velikovich和Dimonte的非线性摄动理论〔Velikovich1996〕[6],Zhang和Sohn的非线性理论[7]对于Richtmyer的脉冲模型理论,主要针对对于激波扫过正弦界面,反射波为激波的情况,同时认为波后流体是不可压缩的,此时将R-T不稳定性线性理论中的体积力改成激波作用时的脉冲力得到了一个关于R-M不稳定性扰动发展的线性模型,一般称为冲击模型,表达式为：其中 a是扰动振幅,k扰动波数,激波刚刚通过两种不同介质的界面后的扰动振幅,[u]激波作用界面后界面速度改变量,是波后Atwood数,其定义为 , 是最先被激波作用的流体的密度之后Meshkov、Fraley、Yang、Zhang和Sharp等都对该冲击模型进行了修正,使该模型适用围更广,结果也与实验结果更接近。

对于非线性理论,Zhang[7]和Sohn1996年提出了Pade逼近和渐进匹配方法,并用该方法就平面激波作用下的可压缩R-M不稳定性问题发展了一种非线性理论这一理论对钉子结构、泡状结构和整体的扰动增长率给出了分析的预测公式,并取得同实验和数值模拟吻合较好的结果l 数值研究现状随着电子计算机的迅速发展,数值模拟日益成为研究R-M不稳定性的一种有效方法对R-M不稳定性的最先数值模拟是在1972年,Meyer 和 Blewetf[8]采用Lagrangian方法进行了R-M不稳定性的数值模拟,所得的结果与Meshkov的实验结果在定性上具有一致性,但其扰动增长率要比实验结果略大1992年Cloutman和Wehner[9]利用有限差分法和阵面跟踪技术对平面激波与正弦扰动的Air/He和Air/SF6界面作用下的R-M不稳定性进行了模拟,所得的扰动增长率要比实验的略大1995年,Holmes[10]等人采用阵面追踪方法对R-M不稳定性进行了二维数值模拟研究他们发现,采用阵面追踪方法能够得到与实验数据更为吻合的结果而且其结果分析显示,在激波加速的早期阶段非线性和可压缩性对界面的演化己经起了重要作用,并认为这是实验结果和线性理论不一致的主要原因。

20XXZabusky[11]等对R-M不稳定性进行了二维的数值模拟和理论分析,并对钉子结构的中后期行为特征进行了研究分析20XX,J.Giordano和Y.Burtschell[12]就平面激波与球形气泡相互作用后产生的R-M不稳定性进行了数值模拟,并比较分析了不同Atwood数对界面失稳的影响l 实验研究现状对于R-M不稳定性的实验,一般主要包括以下三个方面的容:〔1〕、激波的产生方法；〔2〕、界面的构造或形成方法；〔3〕、流场结构及其发展过程的精密测量方法最早的R-M不稳定实验是1970年由Meshkov[2]在激波管中作出的,他的研究包含了各种不同气体的一系列的实验Meshkov的实验。