运动激波作用不同形状气体界面RM不稳定性的实验研究

A new technique of interface formation using soap film developed by our labratory member is employed in this project in which thin needle or filament is introduced to generate interface with different shapes. High speed schlieren and continuous laser sheet "cut through" visualization techniques are adopted to experimentally study the Richtmyer-Meshkov instability phenomenon of interface with different shapes induced by a planar or cylindrical converging shock wave. Then the wave system and the interface evolution, as well as the quantitative information of the flow field, such as continuous velocity field, vorticity and circulation fields, will be acquired during the shock-interface interaction. Through this research, the new method of interface formation will be developed and improved as well as the application of the laser sheet "cut through" technique in the membrane interface. Moreover, the evolution of interface with different shapes induced by moving shock waves will be obtained. The database of Richtmyer-Meshkov instability of interface evolution with different shapes accelerated by a planar and cylindrical converging shock wave will be established. Meanwhile, the differences of interface instability induced by a planar and cylindrical converging shock wave will be discussed which is helpful for us to better understand the physical mechanism of Richtmyer-Meshkov instability. Further，advanced numerical method and analytical model will be proposed to thoroughly study the problem of shock interface interaction. Richtmyer-Meshkov instability induced by moving shock waves involves the complex, multi-scale physical issues, relating not only to the academic research but also to the applications such as inertial confinement fusion and combustion.

本申请提出在激波管中产生平面激波和汇聚激波，利用本课题组提出的一种新的肥皂膜界面生成方法：通过细针、细线约束等方式生成各种形状界面，采用高速纹影技术以及连续激光切片技术实验研究平面激波和汇聚激波诱导下不同形状气体界面扰动发展的精细流场结构。力求获得激波-界面相互作用过程中各种波系结构和界面扰动的发展，以及流场的连续速度场、涡量场和环量场等定量信息。通过本项研究，发展和优化一种新的界面生成技术以及掌握激光切片技术在有膜界面中的应用，得到不同形状界面在激波作用下的发展演化过程，建立不同初始界面形状对界面不稳定性发展影响的数据库；同时探讨平面激波与汇聚激波作用下界面不稳定性发展的不同，发展先进的数值模拟和理论分析方法，揭示界面不稳定性产生和发展的内在机理。激波诱导下的界面不稳定性涉及到复杂的多尺度的物理问题，不仅具有重要的学术研究意义，在惯性约束核聚变、超燃等实际工程背景中也有重要的应用价值。

本项目开展了平面及汇聚激波作用下不同形状气体界面演化的实验与数值研究。首先，采用细针约束肥皂膜的方法形成了包括矩形在内的多边形界面，利用高速纹影方法得到了多边形界面在平面激波诱导下的演化图像；获得了激波在界面上的反射折射现象，为已有的理论和数值结果提供了直接的实验依据；获得了多边形界面尺寸的变化规律，对比了不同形状界面对扰动发展规律的影响；获得了界面上沉积涡量的变化，验证了已有的环量模型。其次，采用细线约束肥皂膜的方法形成了具有不同顶角的V形界面，得到了V形界面在平面激波作用下的演化图像，探讨了振幅波长比对振幅增长率发展的影响；验证了已有的理论模型；实验发现线性增长率随振幅波长比的增长并非单调函数，且增长率存在一个极大值，这些发现为已有的数值结果提供了实验依据。再次，利用细线约束肥皂膜的方式形成了具有极小曲面特征的单模界面，并开展了相应的实验研究，获得了不同振幅波长比对扰动增长的影响规律；对于重/轻单模界面，发现了一些独特的现象，验证了本课题组提出的三维扰动理论；此外数值研究了界面主曲率对扰动增长的影响，相比二维单模界面，界面主曲率相同/相反的三维界面会促进/抑制扰动的增长。基于此结论，可以通过设计界面的特殊形式实现对扰动增长调控的目的。除了开展平面激波诱导不稳定性发展的工作以外，还开展了汇聚激波的相关工作。首先，研究了汇聚激波在斜劈/界面上非定常反射/折射现象，获得了与准定常条件下不同的反射/折射规律，探索了流场的汇聚效应对反射/折射规律的影响；其次，开展了汇聚激波诱导下气泡和气柱界面演化的实验研究，获得了界面演化的初步定量结果；发现流场的汇聚效应会对界面形态产生较大的影响。总之，该项目按计划完成了预定内容，研究成果将有助于凝聚研究方向，形成较好的人才队伍。通过本项目研究，揭示了激波作用下不同形状界面演化的物理规律及内在机理，为惯性约束核聚变等实际应用提供了重要的指导。

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