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流场密度非均匀性和初始条件对界面不稳定性影响的数值模拟研究

肖佳欣  
【摘要】:为了更好地控制工程应用(惯性约束核聚变ICF、超燃冲压发动机等)中材料的混合过程,界面不稳定性等相关研究近年来备受关注。本文采用数值模拟方法,研究了初始流场的密度、界面的扩散、激波形状等初始条件对Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展的影响。研究了初始非均匀流场密度分布为高斯分布,多组初始振幅组合的双模态余弦扰动界面的RM不稳定性演化,发现流场的非均匀性,极大增加了界面密度梯度,进而增加了界面各方向的速度改变,导致不同区域涡量、环量、湍动能等物理量的差异。在初始振幅和流场非均匀性协同作用,使得非均匀流场中低密度区初始大振幅界面扰动增长较快,高密度区初始小振幅界面扰动增长较慢。初始扩散界面的RM不稳定性的研究表明,扩散界面由于界面内部存在切向速度间断,在界面边缘出现了明显的界面卷曲现象,尖钉形状不明显和气泡扁平等特征,与非扩散界面的不稳定发展特征有一定差异。通过改变扩散界面厚度、振幅和激波马赫数,定量比较发现,扩散界面的厚度对界面不稳定性发展影响较弱,激波马赫数对RM不稳定性发展影响较大。随着振幅和马赫数的增加,界面扰动和环量值均增大,界面湍流混合程度更高。本文对正弦激波加载界面的RM不稳定性发展过程进行了数值模拟,研究了非均匀激波的马赫数和激波形状对界面不稳定性发展的影响。由密度云图可知,有以下几个特征:1.首次加载,激波波谷处对应的界面有射流现象,可归因于正弦激波波谷处的激波汇聚效应,导致了压力的突增,致使界面处产生射流;2.非均匀激波加载界面的不稳定性演化不同于典型RM不稳定性的尖钉、气泡特征,正弦激波加载后的界面出现类似“尖钉”的形状,但没有明显的尖钉卷曲和尖钉厚度。在不同激波振幅和强度情况下,激波对界面不稳定性发展的影响和初始界面扰动对界面不稳定性的影响规律类似,随着激波振幅和马赫数增加,界面不稳定性发展更快,混合区域宽度增加,湍流混合程度更高。本文从相关实验出发,数值研究了密度非均匀流场和扩散界面、激波形状等初始因素对RM不稳定性的影响,发现流场、界面和激波等初始条件均对RM不稳定性的发展有重要影响,并通过定量和定性分析,获得了初始条件影响RM不稳定性发展的新认识。


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