【摘要】：當(dāng)帶有初始擾動的不同密度流體的分界面受到瞬時沖擊力作用(如激波作用),這些初始擾動將在界面上沉積斜壓渦量的誘導(dǎo)下,隨著時間而不斷增長和放大,最終形成湍流混合,這一現(xiàn)象就是著名的Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性(RM不穩(wěn)定性)。鑒于RM不穩(wěn)定性在超燃沖壓發(fā)動機、超新星爆發(fā)及慣性約束核聚變等學(xué)術(shù)和工程實踐領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用前景,國內(nèi)外的專家學(xué)者在過去的幾十年中對其進(jìn)行了廣泛而深入地研究,并取得了豐碩的研究成果。其中激波與氣柱/氣泡界面相互作用又被認(rèn)為是RM不穩(wěn)定性研究中最為經(jīng)典和最為基本的一種構(gòu)型,這類界面與激波作用的過程中,激波/界面夾角將涵蓋0度到180度之間的所有角度,是研究激波與界面相互作用絕佳的對象。本文主要采用了實驗和數(shù)值相結(jié)合的方法研究平面/匯聚激波沖擊單個或多個圓形重氣柱的過程,考察了實驗Atwood數(shù)、氣柱橫縱比及氣柱耦合對激波沖擊后氣柱演化規(guī)律的影響。實驗分別在水平激波管和開口匯聚激波管中進(jìn)行,通過肥皂膜技術(shù)生成二維性良好的圓形/橢圓形重氣柱,并通過高速紋影系統(tǒng)記錄下激波與氣柱的相互作用過程。采用了數(shù)值計算程序HOWD和VAS2D對實驗環(huán)境進(jìn)行模擬,同時開發(fā)了一套基于Matlab數(shù)字圖像處理程序?qū)嶒灲Y(jié)果加以分析,以便獲取更多流場信息進(jìn)行補充。在單氣柱研究中,本文主要探究了實驗Atwood數(shù)及氣柱橫縱比對平面激波沖擊后圓/橢圓形氣柱演化規(guī)律的影響。結(jié)果表明實驗Atwood數(shù)在很大程度上影響了氣柱內(nèi)外的波系結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了不同激波聚焦形式的發(fā)生,聚焦后的高壓作用于下游界面,下游界面將表現(xiàn)出不同的演化形態(tài),如向內(nèi)/外射流的生成;而射流的生成發(fā)展在初期主要依賴于激波聚焦后產(chǎn)生的壓力脈動,后期則主要依賴于射流頭部所沉積渦量的誘導(dǎo)。同樣氣柱橫縱比也極大地影響了氣柱內(nèi)外的波系結(jié)構(gòu)和激波聚焦,氣柱下游界面產(chǎn)生了如二次渦對及向內(nèi)射流這樣的特殊結(jié)構(gòu);同時氣柱橫縱比會對激波沖擊后界面上斜壓渦量的沉積產(chǎn)生較大影響,在不同渦量的誘導(dǎo)下,界面演化形態(tài)和物質(zhì)混合情況也存在較大差異。在雙氣柱研究中,本文主要探究了氣柱耦合對平面/匯聚激波沖擊后雙圓形氣柱演化規(guī)律的影響。結(jié)果表明雙氣柱的初始間隔很大程度上決定了后期雙氣柱的演化情況,雙氣柱的演化規(guī)律與單氣柱情況有較大不同,在初始間隔較近雙氣柱的演化過程中,氣柱耦合較為劇烈,導(dǎo)致氣柱下游“蘑菇狀”結(jié)構(gòu)和彎曲射流結(jié)構(gòu)的形成;而初始間隔較遠(yuǎn)雙氣柱的演化過程則更加類似于兩單氣柱,氣柱耦合相對較弱。通過對比平面激波和匯聚激波沖擊后氣柱的演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)由于匯聚情況下多種效應(yīng)(Bell-Plesset(BP)效應(yīng)、非線性效應(yīng)和氣柱耦合等)的共同作用,兩種情況存在較大差別。
【圖文】：

圖１．１邋ＲＭ不穩(wěn)定性⑴（ａ），邋ＲＴ不穩(wěn)定性（ｂ），邋ＫＨ不穩(wěn)定性（ｃ）［圖片源自維基百科及相逡逑關(guān)文獻(xiàn)］逡逑

Ｎｏｒｔｈ邋Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ）以及一些光學(xué)元件（平面鏡、紋影鏡等）組成。相比于傳統(tǒng)逡逑的Ｚ字型紋影光路，本文中的高速紋影系統(tǒng)引入了兩面平面鏡，，使得光可以垂逡逑直地通過水平實驗段的觀察窗，從而捕獲激波／氣柱的相互作用過程。逡逑對于匯聚部分的實驗，則是在實驗室最新研發(fā)的開口匯聚激波管中進(jìn)行，逡逑如圖２．２所示，其高低壓段及轉(zhuǎn)換段均與平面激波管類似，平面激波經(jīng)過轉(zhuǎn)換段逡逑后到達(dá)型線段，該段型線（內(nèi)輪廓）是基于激波動力學(xué)理論＠］設(shè)計而成，可以逡逑將平面激波轉(zhuǎn)變成柱狀的匯聚激波，形成的匯聚激波隨后進(jìn)入?yún)R聚段，同置于逡逑該處的氣柱發(fā)生相互作用，高速紋影系統(tǒng)會記錄下相互作用的全過程。與之前逡逑一些較為經(jīng)典的匯聚激波管［７３＿７５］相比，本文所采用的開口匯聚激波管在激波匯逡逑聚點附近采用了開口處理，使得匯聚激波不會在匯聚點處發(fā)生反射，故而本文逡逑可以觀察到較為后期的界面發(fā)展情況，同時該設(shè)計也有效地消除了一般匯聚激逡逑波管中存在的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ邋（ＲＴ）效應(yīng)，使得本文可以對匯聚過程中的一些特逡逑殊效應(yīng)（如ＢＰ效應(yīng)）開展針對性分析。在本文的研宄中，匯聚激波的初始馬赫逡逑數(shù)約為Ｍ產(chǎn)１．２８士０．０１，匯聚半徑約為３００邋ｍｍ，匯聚角度為３０。。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O354.5

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