【摘要】：具有初始擾動的流體界面在受到激波沖擊時,界面的擾動會隨著時間不斷增長,并最終發(fā)展為流體間的湍流混合,這種流體間的流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象就是著名的Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性(RMI)。由于RMI在超燃沖壓發(fā)動機、超新星爆發(fā)、燃燒轉爆轟、慣性約束核聚變中的學術和工程應用價值,最近幾十年世界各國都對其進行了大量的研究。目前關于RMI的研究無論是實驗還是理論亦或數值模擬大多以單模小振幅的初始擾動界面為出發(fā)點,而對于多模大振幅初始擾動界面的研究并不充分。這主要是因為大振幅情況下的理論分析困難、實驗研究中界面生成困難、數值模擬費用昂貴等原因。本文通過對不同振幅條件下'V'形界面RMI的實驗、理論與數值研究,分析了振幅對界面演化以及波系發(fā)展的影響。在實驗研究方面,采用改進的肥皂膜技術形成大振幅的初始界面,結合激波管進行相應的RMI研究。這種新的界面方法是基于先前的肥皂膜技術改進而來,通過將實驗模型進行特殊處理,并在尖點處引入絲線控制,形成所需的不同振幅的'V'形初始界面。利用這種方法,本文開展了入射激波和反射激波與輕/重(空氣/六氟化硫)以及入射激波與重/輕(空氣/氦氣)初始界面相互作用的研究,為大振幅無窮多模RMI的研究奠定了基礎。在平面激波與輕/重初始'V'形界面的研究中,初始振幅的不同對激波與界面的作用以及激波過后界面的演化發(fā)展都有重要的影響。無論初始振幅的大小,初始界面都會先經歷一個壓縮階段,而且壓縮的比例大致相似。當激波過后,不同初始振幅的界面上沉積的渦量不同,渦量的不同會導致后續(xù)界面演化規(guī)律的不同,并且界面混合寬度的初始增長速率隨初始角度的變化呈現(xiàn)先增長后衰減的的規(guī)律。在平面激波與重/輕初始'V'形界面的研究中,初始振幅不同激波與界面作用時產生的波系結構明顯不同,在激波與界面接觸后界面的尖端會立即形成'spike'結構,并且會出現(xiàn)在重/輕型界面中特有的反相過程。由于重/輕情況下界面在與激波作用后存儲的渦量與輕重情況下相反,因此在重/輕情況下會有相對于輕/重界面較為明顯的界面與肥皂膜分離的現(xiàn)象,并且界面在壓縮反相之后的增長呈現(xiàn)出與輕/重情況下類似的規(guī)律。在反射激波與輕/重'V'形界面的實驗研究中,通過在實驗段末端增加固定端來產生反射激波。當反射激波與界面相互作用時,此時的'V'形界面在與初始激波作用后已經發(fā)展了一定時間,而且不同的初始振幅呈現(xiàn)出明顯不同的結構,這時反射激波與演化發(fā)展中的'V'形界面相互作用會產生更為復雜的波系結構,不同的初始振幅情況下波系結構會有明顯的差異。反射激波在與'V'形界面作用后,加速了流場向湍流狀態(tài)的發(fā)展。在理論研究方面,本文基于先前的衰減因子理論,結合實驗與數值結果,得到了關于'V'形輕/重界面初始混合寬度的線性增長規(guī)律,并得出了初始線性增長規(guī)律與初始波長振幅比之間的函數關系,從而找出線性增長規(guī)律的極值點。對于重/輕型界面,我們將這一理論與適用于重/輕模型的理論相結合,得到了類似的規(guī)律和極值點。根據由衰減因子得到的初始線性增長速率,利用前人的理論,'V'形界面的非線性發(fā)展階段也得到了較好的預測。本文利用改進的肥皂膜技術系統(tǒng)地研究了初始擾動振幅對不同類型(輕/重、重/輕)界面RMI發(fā)展演化的影響,對前人的實驗和理論研究分別做了改善和進一步發(fā)展。改進的成膜技術減少了固體膜以及支撐結構對流場演化的影響,激波作用后的界面發(fā)展對稱性較好,能夠為大振幅多模的理論研究以及數值模擬的驗證提供基準。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O354.5
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本文編號：2463648