擾動激波沖擊界面不穩(wěn)定性：反射激波效應(yīng)
發(fā)布時間：2021-06-28 19:00
通過平面激波繞剛體圓柱的方法形成擾動激波,采用無膜技術(shù)形成N2/SF6均勻界面,在豎式激波管中開展了擾動激波沖擊界面Richtmyer-Meshkov（RM）不穩(wěn)定性實驗研究。針對3種不同的無量綱距離η（圓柱到界面距離與圓柱直徑之比）情形,利用高速紋影技術(shù)及平面Mie散射技術(shù),獲得了反射激波二次沖擊作用下的界面演化圖像。前期工作（鄒立勇等,2017）顯示,入射激波沖擊后,界面發(fā)展為包括中心氣腔和兩側(cè)臺階的"Λ"形結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明:反射激波二次沖擊后,"Λ"形界面首先經(jīng)歷相位反轉(zhuǎn),然后擾動逐漸發(fā)展增強。在η=2.0情形,界面演化為氣泡,而當η=3.3和4.0時,在整體的氣泡結(jié)構(gòu)之外,界面中心發(fā)展為尖釘結(jié)構(gòu)。獲得了反射激波作用后的混合區(qū)寬度,并與理論模型結(jié)果進行了比較。在界面演化線性階段,Meyer-Blewett（MB）線性模型結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好。在界面演化非線性階段,Dimonte-Ramaprabhu （DR）模型結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好。特別地,當η=4.0時,理論與實驗結(jié)果差別最小。
【文章來源】：實驗流體力學(xué). 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
豎式激波管示意圖
圖2給出了實驗采用的2種測試方法。圖2(a）為高速紋影系統(tǒng)示意圖，由氙燈光源（功率500 W）、狹縫、凹面鏡（直徑300mm，焦距3m）、刀口和高速攝像機（Photron FASTCAM，幅頻取為6300幀/s）等組成。圖2(b）為平面Mie散射系統(tǒng)示意圖，重氣體SF6從高壓氣瓶充入測試段上方的氣箱中，通過轉(zhuǎn)式測速儀和小型截止閥來控制流速。當氣箱中SF6體積達到98%以上（通過SF6氣體分析儀FT-103P監(jiān)測）時，為便于觀測，將煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的白色乙二醇煙霧充入SF6氣箱中。為了讓SF6和乙二醇煙霧良好混合，煙霧噴嘴設(shè)計在氣體箱的底部側(cè)壁位置。需要說明的是，乙二醇煙霧與重氣體體積比大約為1∶105，這意味著添加乙二醇煙霧對重氣體的密度影響很�。ǖ陀�0.1%）。實驗中乙二醇煙霧顆粒直徑約為0.5μm，其對SF6氣體的良好跟隨性已在Zou等[27]及Rightley等[28]的類似實驗中得到驗證）。實驗時激光器發(fā)出的柱形激光（頻率10kHz，波長532nm，脈寬10ns）通過一組透鏡和反射鏡后，轉(zhuǎn)化為厚度約1mm的片光源，透過實驗段底部玻璃窗照射流場，采用高速攝像機（Photron FASTCAM，幅頻取為10 000幀/s）對界面演化過程進行拍攝，進而獲得流場中界面演化結(jié)構(gòu)圖像。2 實驗結(jié)果與討論
圖3給出了η=4.0情形下入射激波和反射激波沖擊N2/SF6界面演化紋影像，關(guān)于入射階段的界面演化規(guī)律，我們前期已有分析[22]，所以這里主要討論反射階段。令t=0 ms為反射激波剛好到達界面的時刻，由圖可知，入射擾動激波由于在運動過程中的不斷整形和致穩(wěn)趨勢，t=-0.12 ms時刻從激波管下端壁向上運動的反射激波的振幅已衰減至幾乎為零，因而可以近似當作平面激波來處理。反射激波到達之前，界面演化為“Λ”形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)呈向下凹陷，中心有1個N2氣腔。因此，反射激波作用后的界面演化過程可近似處理為平面激波誘導(dǎo)的經(jīng)典RM不穩(wěn)定性問題。反射激波從重流體SF6進入輕流體N2后，界面發(fā)生了相位反轉(zhuǎn)，隨后整體的“Λ”形界面演化成氣泡，中間的氣腔處形成尖釘。隨著時間的推移，尖釘和氣泡逐漸增長。t=1.47 ms時，界面下方可以看到一道來自下端壁的反射稀疏波，這道稀疏波將對界面演化產(chǎn)生影響。本文只考慮反射激波作用下的界面不穩(wěn)定性問題，因此只對反射稀疏波到達界面前的實驗結(jié)果進行分析。由于紋影觀測技術(shù)沿光路方向有積分效應(yīng)，為了獲得更精細的實驗圖像，進一步采用平面Mie散射技術(shù)得到反射激波二次沖擊N2/SF6界面演化圖像（見圖4）�？梢钥吹剑�=4.0情形下，反射激波作用之前，界面總體呈現(xiàn)為“Λ”形，中間上部為開口的N2氣腔（實線圓圈區(qū)域），兩側(cè)各有一個界面臺階（虛線圓圈區(qū)域），這與圖3觀察到的結(jié)果是一致的。隨著η的減小，氣腔位置越來越深，面積逐漸減小，上部逐漸閉合。當η=2.0時，氣腔幾乎完全消失。反射激波沖擊界面后，從圖4中可以觀察到與圖3類似的相位反轉(zhuǎn)以及隨后的氣泡和尖釘發(fā)展過程。當η=2.0時，界面演化總體上呈現(xiàn)為一個氣泡結(jié)構(gòu)，而當η=3.3和4.0時，在氣泡之外，還出現(xiàn)了界面中心位置的尖釘結(jié)構(gòu)；當η=3.3時，界面中心的尖釘結(jié)構(gòu)相當明顯，距離氣泡結(jié)構(gòu)很近，位于氣泡上沿的下方；當η=4.0時，界面中心的尖釘則較為纖細，距離氣泡結(jié)構(gòu)較遠，位于氣泡上沿的上方。這是由不同η情形下反射激波沖擊前的界面形狀及位置差異造成的。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]動爆沖擊波傳播特性實驗研究[J]. 姬建榮,蘇健軍,陳君,陳皓,賈養(yǎng)育. 兵器裝備工程學(xué)報. 2019(12)
[2]水下沖擊波作用下雙層殼結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征研究[J]. 古濱,李炳南,姚熊亮,王志凱. 兵器裝備工程學(xué)報. 2019(11)
[3]繞射激波和反射激波作用下N2/SF6界面R-M不穩(wěn)定性實驗研究[J]. 劉金宏,鄒立勇,曹仁義,廖深飛,王彥平. 力學(xué)學(xué)報. 2014(03)
[4]反射激波作用下重氣柱界面演化的PIV研究[J]. 張賦,翟志剛,司廷,羅喜勝. 實驗流體力學(xué). 2014(05)
[5]反射激波作用下兩種重氣柱界面不穩(wěn)定性實驗研究[J]. 何惠琴,翟志剛,司廷,羅喜勝. 實驗流體力學(xué). 2014(06)
本文編號：3254874
【文章來源】：實驗流體力學(xué). 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
豎式激波管示意圖
圖2給出了實驗采用的2種測試方法。圖2(a）為高速紋影系統(tǒng)示意圖，由氙燈光源（功率500 W）、狹縫、凹面鏡（直徑300mm，焦距3m）、刀口和高速攝像機（Photron FASTCAM，幅頻取為6300幀/s）等組成。圖2(b）為平面Mie散射系統(tǒng)示意圖，重氣體SF6從高壓氣瓶充入測試段上方的氣箱中，通過轉(zhuǎn)式測速儀和小型截止閥來控制流速。當氣箱中SF6體積達到98%以上（通過SF6氣體分析儀FT-103P監(jiān)測）時，為便于觀測，將煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的白色乙二醇煙霧充入SF6氣箱中。為了讓SF6和乙二醇煙霧良好混合，煙霧噴嘴設(shè)計在氣體箱的底部側(cè)壁位置。需要說明的是，乙二醇煙霧與重氣體體積比大約為1∶105，這意味著添加乙二醇煙霧對重氣體的密度影響很�。ǖ陀�0.1%）。實驗中乙二醇煙霧顆粒直徑約為0.5μm，其對SF6氣體的良好跟隨性已在Zou等[27]及Rightley等[28]的類似實驗中得到驗證）。實驗時激光器發(fā)出的柱形激光（頻率10kHz，波長532nm，脈寬10ns）通過一組透鏡和反射鏡后，轉(zhuǎn)化為厚度約1mm的片光源，透過實驗段底部玻璃窗照射流場，采用高速攝像機（Photron FASTCAM，幅頻取為10 000幀/s）對界面演化過程進行拍攝，進而獲得流場中界面演化結(jié)構(gòu)圖像。2 實驗結(jié)果與討論
圖3給出了η=4.0情形下入射激波和反射激波沖擊N2/SF6界面演化紋影像，關(guān)于入射階段的界面演化規(guī)律，我們前期已有分析[22]，所以這里主要討論反射階段。令t=0 ms為反射激波剛好到達界面的時刻，由圖可知，入射擾動激波由于在運動過程中的不斷整形和致穩(wěn)趨勢，t=-0.12 ms時刻從激波管下端壁向上運動的反射激波的振幅已衰減至幾乎為零，因而可以近似當作平面激波來處理。反射激波到達之前，界面演化為“Λ”形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)呈向下凹陷，中心有1個N2氣腔。因此，反射激波作用后的界面演化過程可近似處理為平面激波誘導(dǎo)的經(jīng)典RM不穩(wěn)定性問題。反射激波從重流體SF6進入輕流體N2后，界面發(fā)生了相位反轉(zhuǎn)，隨后整體的“Λ”形界面演化成氣泡，中間的氣腔處形成尖釘。隨著時間的推移，尖釘和氣泡逐漸增長。t=1.47 ms時，界面下方可以看到一道來自下端壁的反射稀疏波，這道稀疏波將對界面演化產(chǎn)生影響。本文只考慮反射激波作用下的界面不穩(wěn)定性問題，因此只對反射稀疏波到達界面前的實驗結(jié)果進行分析。由于紋影觀測技術(shù)沿光路方向有積分效應(yīng)，為了獲得更精細的實驗圖像，進一步采用平面Mie散射技術(shù)得到反射激波二次沖擊N2/SF6界面演化圖像（見圖4）�？梢钥吹剑�=4.0情形下，反射激波作用之前，界面總體呈現(xiàn)為“Λ”形，中間上部為開口的N2氣腔（實線圓圈區(qū)域），兩側(cè)各有一個界面臺階（虛線圓圈區(qū)域），這與圖3觀察到的結(jié)果是一致的。隨著η的減小，氣腔位置越來越深，面積逐漸減小，上部逐漸閉合。當η=2.0時，氣腔幾乎完全消失。反射激波沖擊界面后，從圖4中可以觀察到與圖3類似的相位反轉(zhuǎn)以及隨后的氣泡和尖釘發(fā)展過程。當η=2.0時，界面演化總體上呈現(xiàn)為一個氣泡結(jié)構(gòu)，而當η=3.3和4.0時，在氣泡之外，還出現(xiàn)了界面中心位置的尖釘結(jié)構(gòu)；當η=3.3時，界面中心的尖釘結(jié)構(gòu)相當明顯，距離氣泡結(jié)構(gòu)很近，位于氣泡上沿的下方；當η=4.0時，界面中心的尖釘則較為纖細，距離氣泡結(jié)構(gòu)較遠，位于氣泡上沿的上方。這是由不同η情形下反射激波沖擊前的界面形狀及位置差異造成的。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]動爆沖擊波傳播特性實驗研究[J]. 姬建榮,蘇健軍,陳君,陳皓,賈養(yǎng)育. 兵器裝備工程學(xué)報. 2019(12)
[2]水下沖擊波作用下雙層殼結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征研究[J]. 古濱,李炳南,姚熊亮,王志凱. 兵器裝備工程學(xué)報. 2019(11)
[3]繞射激波和反射激波作用下N2/SF6界面R-M不穩(wěn)定性實驗研究[J]. 劉金宏,鄒立勇,曹仁義,廖深飛,王彥平. 力學(xué)學(xué)報. 2014(03)
[4]反射激波作用下重氣柱界面演化的PIV研究[J]. 張賦,翟志剛,司廷,羅喜勝. 實驗流體力學(xué). 2014(05)
[5]反射激波作用下兩種重氣柱界面不穩(wěn)定性實驗研究[J]. 何惠琴,翟志剛,司廷,羅喜勝. 實驗流體力學(xué). 2014(06)
本文編號：3254874
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