汇聚激波作用下界面不稳定性与湍流混合的实验与理论研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
10972214
项目类别：
面上项目
资助金额：
46.0万
负责人：
罗喜胜
依托单位：
中国科学技术大学
学科分类：
A0909.实验流体力学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
徐栋哲；宋彦；凌鹏；李祝飞；黄甲；翟志刚；
关键词：
柱形汇聚激波湍流混合界面不稳定性片光测量技术

项目摘要

本申请提出利用激波管产生中等以上强度激波（激波马赫数1.5-2.0），以气帘或气柱生成初始气体界面，采用激波动力学方法和竖直环形激波管两种方法产生柱形汇聚激波，通过激光切片测量技术如粒子图像测速（PIV）或平面激光诱导荧光（PLIF），结合数值模拟与先进的分析方法如小波分析，研究在中等以上强度平面激波、汇聚激波作用下气柱和气帘界面的不稳定性及湍流混合，力求获得界面运动、扰动发展、失稳乃至于形成湍流过程的精细流场信息。通过本项目研究，建立和掌握在激波管中实现柱形汇聚激波与界面作用的实验方法，包括气帘和气柱界面的生成方法，发展数值模拟方法和先进的分析方法，得到汇聚激波与界面作用的流场结构及其发展过程，认识中等以上强度平面激波、汇聚激波与界面作用下界面失稳及其发展过程的基本特征，揭示界面不稳定性发展与湍流混合的内在机制与规律，为理论和数值模拟研究提供强有力的实验验证数据。

结项摘要

本项目首先研究了平面激波作用下，球形气体界面不稳定性的发展。利用肥皂膜形成初始界面，采用高速纹影系统得到了界面的演化规律。随后，我们采用相同的方法研究了平面反射激波对球形气体界面不稳定性发展的影响，获得了大量的实验数据，为验证相关的数值方法和理论模型提供了较好的依据。在此基础上，我们采用气柱技术形成初始界面，高速“切片”技术对流场进行显示，开展了平面反射激波作用下，SF6气柱界面演化发展的实验研究，获得了流场速度、环量等定量数据，进一步增强了对界面不稳定性发展规律的理解。此外，我们在平面激波管中基于激波动力学理论成功地实现了柱状汇聚激波的产生，并对汇聚激波形成过程进行了参数研究，指出了初始激波强度、汇聚角度以及激波管高度对汇聚激波的产生都有一定的影响。在形成柱状汇聚激波之后，我们实验研究了SF6气柱界面在汇聚激波冲击下的发展演化，并与平面激波诱导下的界面演化做了比较，指出了二者的异同点。再者，我们采用竖直环形激波管同样产生了柱形汇聚激波，并对实验方法的可靠性进行了验证。同时，我们采用肥皂膜技术形成界面，高速“切片”技术对流场进行显示，得到了在竖直环形激波管中汇聚激波冲击下，八边形/花瓣形界面的发展演化，并将实验结果与计算结果进行了定性的比较，取得了较好的一致性。我们同时采用了一种新的界面生成方法，在实验中利用肥皂膜生成了四边形、三角形、方波形等形状的界面，并实验研究了平面激波作用下，这些形状界面的发展演化，得到了不同形状界面对不稳定性发展的不同影响。除了实验研究之外，我们也发展了一些RM不稳定性理论新的分析方法以及高阶WENO格式的三维程序，并应用到RM不稳定性的研究中。总之，通过本项目研究，建立和掌握了在水平和竖直激波管中实现柱形汇聚激波与界面作用的实验方法，包括气帘和气柱界面的生成方法，发展了数值模拟方法和先进的分析方法，得到汇聚激波与界面作用的流场结构及其发展过程，认识中等以上强度平面激波、汇聚激波与界面作用下界面失稳及其发展过程的基本特征，揭示界面不稳定性发展与湍流混合的内在机制与规律，为理论和数值模拟研究提供强有力的实验验证数据。