[工学]Richtmyer-Meshkov不稳定性的激波管实验研究本科论文.doc
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1、中国科学技术大学本科毕业论文目录摘要2Abstract3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
2、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
3、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 val
4、uable in 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
5、 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 use the delaying signal triggers and high-voltage spark light source to get striking fire. At the same time, a spherical or cylindrical helium bubble wa
6、s 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
7、. 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, Schliere
8、n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
9、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
10、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
11、(spike)结构,而此时周围的轻流体会形成“泡”状(bubble)结构,整个界面形成“蘑菇”状(mushroom),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
12、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。近半个世纪来国内外学者对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
13、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,使该模型适用范围更广,结果也与实验结果更接近。对于非线性理论,Zh
14、ang7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 Blewetf8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
15、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,Holmes10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。2003年Zabusky11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。2006年,J.Giordano和Y.Burts
16、chell12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内容:(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Meshkov2在激波管中作出的,他的研究包含了各种不同气体(Air, Carbon dioxide, Freon-22, Helium)的一系列的实验。Meshkov的实验结果表明流体界面扰动随时间的增长不仅会在激波由轻气体运动到重气体的条件下发生,而且也会在
17、激波由重气体运动到轻气体的情况下发生。在由轻到重的情况下,扰动增长不会改变方向,而在由重到轻时,初始扰动会改变方向,然后增长(即所谓的“相变”)。Meshkov注意到当界面运动一段距离1-2(为扰动波长)后,界面的形状不再是初始扰动的正弦形状,而是类似于Rayleigh-Taylor不稳定界面后期发展的“手指”状。他同时测量了扰动强度对运动距离的关系,其测得的实际扰动增长率要远小于Richtmyer冲击模型给出的增长率,并给出了解释实验与理论不一致的几个因素,包括气体界面的扩散,不能保证气体在实验段的纯度,以及薄膜的可渗透性等。Benjamin13做了Air-SF6和Air-He激波管实验,给
18、出了定性的R-M不稳定性的结果,比如泡状结构和钉状结构的出现,以及对于Air-He的反相现象。Benjamin给出的扰动强度增长率要高于Meshkov的结果,但要比Richtmyer脉冲模型给出的结果要小。他指出薄膜的强度以及薄膜的碎片都会对实验结果有影响。由于薄膜很薄,可能会有He的扩散效应,并指出气体的污染不会明显影响Ms=1.22的运动激波,但会对气体声速有影响,进而影响绝热比和密度。Aleshin14等人在更强的入射激波()下进行了R-M不稳定性的实验研究,所得扰动增长率与Richtmyer模型更为接近,一个可能的原因是马赫数的增加可能减小了实验中薄膜效应的影响。Brouillette
19、15 1994年改进了激波管实验,希望通过迅速移开两种气体的分隔物而使之对R-M不稳定性的影响达到最小,但是仍然会给初始交界面带来一定的额外扰动。Jacobs 31997年利用激波管进行了有关R-M不稳定性的实验,大大降低薄膜对于扰动增长测量的影响,利用高精度的PLIF测量方法得到了早期R-M不稳定性发展的扰动增长率,与理论结果符合的很好。Hass 和 Sturevant16进行了平面激波与球形界面或柱形界面相互作用的实验,分析了激波与界面相互作用的物理过程。Ranjan172007年对激波和球形肥皂泡相互作用进行了系统的研究,分析了不同马赫数,Atwood数对界面失稳的影响。我国近十多年来在
20、界面R-M不稳定性研究方面也有所开展18,主要多从数值模拟方面入手,而实验方面则仅有一些起步或间接相关性工作,从公开发表的文献情况来看,与发达国家的水平相比尚有不小差距。同时,对于以前的实验研究,得到的多限于平面激波与界面相互作用的实验结果,然而对于球状激波或柱状激波与界面相互作用的实验结果,由于其设备复杂程度高,得到的结果也远没有前者丰富。第二节 本文的主要工作在实验室现有的设备的基础上,建立了可用于R-M不稳定性实验模拟的实验平台。并对界面的生成进行了探索,要求既能有效地隔离两种不同的流体介质,又要尽可能减少隔离物在界面运动过程中的影响,还要保持所需的初始界面形状。本次实验过程中采用在试验
21、段吹一定形态(球状、柱状)的肥皂泡来实现。并用传统的黑白纹影、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,为以后在此平台开展柱面激波与界面相互作用提供了一定实验依据。第二章 实验原理与实验方法第一节 激波管理论的简要介绍 第一根激波管出现于1861年。1899年法国化学家威利(P.Vielle)首先利用它研究燃烧中的爆震问题。他获得了在空气中传播速度为600米/秒的运动激波。但是,一直到1940年,佩门(Payman)等人才比较详细的研究激波管内的流动。当时的应用基本上只限于
22、研究燃烧爆震、压力标定和非定常波的传播等问题。1949年以后,激波管才应用于气体动力学实验的研究,同时被改装成激波风洞。从此,激波管便逐渐发展成为今天这样一种多种用途的实验设备。一、 激波管流动模型的理想化 理想化的激波管如图2.1.1所示,是一根一端封闭,另一端开口或者封闭的等界面的管子。中间用一膜片将管子分为两段。在膜片的两侧初始分别充以不同压力的气体。具有较低压力的那一段称为“低压段”(也称为被驱动段),具有较高压力的那一段称为“高压段”(也称为驱动段)。 激波管内的实际流动是十分复杂的,为了便于分析研究,先做一些合理的假定。(1) 管内的流动是严格的一维流;(2) 略去流体粘性和热传导
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