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中国科大在激波诱导的界面不稳定性实验研究中取得系列进展

2015-11-10 09:45
科技潮人
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  中国科学技术大学先进推进实验室特任副教授司廷、特任副研究员翟志刚和教授罗喜胜等在激波诱导的界面不稳定性实验研究方面取得系列新进展,在国际上首次获得了汇聚激波冲击下多模界面的演变图像,揭示了界面失稳和复杂波系发展规律和内在机制,近期多项研究成果连续发表在J. Fluid Mech. 和Phys. Fluids 上。

  激波诱导的界面不稳定性是一种十分复杂的多尺度强非线性物理问题,是可压缩湍流机理研究的一个主要方向,也是高能量密度物理研究的一个重要内容,在天体物理、惯性约束聚变(ICF)清洁能源、航天火箭发动机、国防尖端武器等领域有着广泛的应用背景和研究价值。实验研究中,激光惯性约束聚变、电磁套筒内爆、炸药驱动金属材料等方法耗资巨大、周期较长、诊断困难,难以大量开展。因此,在实验室条件下,激波管中的激波加载流体界面实验成为重要研究方法。由于汇聚激波能产生高温高压,更切合工程应用实际,国际研究热点都集中在汇聚激波与界面的相互作用上。

  据罗喜胜介绍,在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究需要解决三大难题,即汇聚激波的产生、完美可控界面的形成和精细流场结构的观测。通过长期攻关,研究团队突破了“汇聚激波的产生”和“可控界面的形成”两大关键技术,率先设计并建成了楔形汇聚激波管(Phys. Fluids, 2010, 22: 041701; Phys. Fluids, 2012, 24: 026101; Rev. Sci. Instrum. 2014, 85: 015107)和半圆形汇聚激波管(Phys. Fluids, 2015, 27: 091702),开发了新型复杂界面生成技术(J. Fluid Mech. 2014, 757: 800-816; J. Fluid Mech. 2015, 773: 366-394),利用先进的流场诊断方法,在国际上首次获得了汇聚激波冲击下多模界面的演变发展规律和机制(J. Fluid Mech. 2015, 784: 225-251)。

  在一个汇聚激波管中,光滑圆弧形激波与初始气体界面相互作用,产生反射激波和透射激波,界面上任何初始扰动都会因失稳而增长。司廷介绍说,汇聚激波诱导下的界面不稳定性发展与平面激波有较大差异。研究表明,透过界面的汇聚激波到达聚焦点产生局部高压高能量密度区域,之后又迅速反射并与界面再次作用,使界面运动发生反转,在流场中产生非常复杂的波系结构。在整个过程中,激波强度不断发生变化,流场中压力扰动和涡量分布促使界面运动速度以及扰动增长率都随时间变化。因此,汇聚激波诱导的界面不稳定性一方面将破坏激波向气体动力学焦点汇聚的对称性和均匀性,另一方面将促进不同流体之间的混合。研究获得的扰动发展定量演化规律以及内在机理,能够为相关数值模拟程序和理论提供验证数据和图像,也可为实际应用如ICF的靶丸设计、航天火箭发动机燃烧室的设计等提供可靠的理论指导。

  上述研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费的资助。

  汇聚激波冲击多模界面(左)和单模界面(右)的实验结果

 

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