平面激波冲击惰性椭圆气泡的数值研究

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Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性作为一种广泛存在于自然界和实际工程应用中的物理现象,长期以来都是流体力学领域中的研究热点之一。近些年来,在超音速燃烧推进和惯性约束核聚变(ICF)等重要背景的推动下,RM不稳定性的研究更是得到了广泛的关注。由于球形本身是一种特殊的椭圆形,并且实际实验中受到重力、浮力等因素的影响,不同密度的气泡往往也呈椭圆形,因此研究椭圆形气泡在激波冲击下的RM失稳过程具有重要的研究意义。本文采用二维N-S方程和高精度计算格式对入射和反射激波冲击椭圆惰性气泡引发RM失稳的过程进行了详细的数值研究,考察了不同的激波Ma数和Atwood数对波系和气泡演化过程的影响,主要研究内容和成果如下:(1)随着Ma数的增大,单个椭圆SF6气泡无论垂直还是水平放置,激波在气泡内部的聚焦位置将更靠近下游极点;Ma=2.1时,流场中的反射激波都会与上下壁面的边界层作用并发生分叉,并且垂直和水平放置的SF6气泡右侧界面外部会形成一个不断向下游移动并逐渐增大的超音速涡环。此外,当At>0时,随着Atwood数的减小,在垂直和水平放置的气泡内部,激波聚焦位置都更加靠近气泡下游极点;当At<0时,气泡左侧界面上将会形成由外向内冲击的空气射流。特别是He气泡,内陷的空气射流将He气泡分为上下两部分。(2)随着激波马赫数的增大,气泡无论垂直还是水平放置,气泡体积和有效气泡体积都逐渐减小,而平均涡量强度以及空气和SF6气体的混合度逐渐增大。不同的是,气泡水平放置时,斜压效应更明显,导致流场内平均涡量强度要比气泡垂直放置时大。此外,气泡无论垂直放置还是水平放置,随着Atwood数的减小,有效气泡体积逐渐减小。当At>0时,随着Atwood数的减小,气泡内外气体的混合度、平均涡量强度以及净环量的绝对值都逐渐减小。而当At<0时,上述各物理量的变化与At>0时相反。不同的是,与气泡垂直放置时相比,水平放置下的气泡与激波相互作用的时间更长,气泡被压缩的程度更大;气泡水平放置时,He气泡净环量的绝对值在四种气泡中最大,而气泡垂直放置时,SF6气泡净环量的绝对值在四种气泡中最大。(3)当激波与双椭圆气泡作用时,在入射和反射激波的冲击下,流场内三种不同排布组合方式下的双椭圆气泡最终都将合并为一个整体。当双椭圆气泡并排和互相垂直放置时,入射激波都是依次冲击流场内的气泡;并且在激波聚焦产生的高压的作用下,每个气泡的左右界面都形成了射流结构。而当双椭圆气泡水平放置时,入射激波同时冲击对称轴上下的两个椭圆气泡;流场内下游的射流是由旋涡发展而成,上游射流则是由气泡互相碰撞挤压形成的。此外,与双椭圆气泡并排放置和互相垂直放置时相比,双椭圆气泡水平放置时,气泡体积减小的速度和流场内旋涡增长的速度更快。
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