再冲击诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性及湍流混合研究

作     者：宋玉 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宇辉

授予年度：2024年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：Richtmyer-Meshkov 激波 再冲击 湍流混合 定量模型 

摘      要：Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性诱导的湍流混合现象广泛存在于超新星爆发、超然冲压发动机和惯性约束核聚变等自然现象和工程问题中,且上述问题中通常涉及激波对流体界面的多次冲击。因此,再冲击RM湍流混合问题是最接近实际工程问题的基础问题抽象,研究该问题具有实际的工程意义。本文结合理论建模和数值模拟,对再冲击RM混合中尚未解决的混合宽度演化问题展开研究:首先,针对激波冲击瞬间混合宽度被显著压缩但缺少相应预测模型的问题,基于增长率分解(GRD)理论框架,建立了一个针对冲击压缩阶段混合宽度演化的定量理论模型;其次,针对现有再冲击RM混合实验方案无法确保单一依赖变量保持不变的问题,通过对一维激波管流动的理论分析,提出了一个可控再冲击强度与时间的理论方案。本文的具体研究工作如下: (1)在GRD理论框架的基础上,阐明了冲击压缩过程中主导演化的物理机制,建立了该阶段混合宽度演化的定量理论模型。从演化过程主导机制出发,本文区分了两类冲击压缩问题:轻重型和重轻型冲击压缩问题。其中,前者受拉伸(压缩)机制和穿透机制共同影响,后者主要由拉伸(压缩)机制主导。针对两种机制,分别通过量化平均场速度差效应和经典RM效应进行模型构建,发展了一套定量理论模型。该模型考虑了激波与重轻型界面相互作用时会发生的直接与间接相位反转现象,对各类冲击压缩问题的预测结果都与现有的实验数据取得了良好的一致性。 (2)提出了一个可以精准控制再冲击激波强度和时间的理论方案,并推导了相应的控制方程。本文通过取消传统再冲击RM激波管中用于反射激波的固壁,改为一个能自由产生入射激波的开口端,设计了一种新型的再冲击RM混合激波管。新型激波管可通过改变两个入射激波的距离和强度,实现再冲击马赫数和时间的精准可控。该方案克服了传统激波管实验中无法控制单一变量的局限性,确保了各依赖变量是完全可控的,这是进行严谨单一依赖变量研究的必要条件。 本文研究成果可作为再冲击RM混合演化一体化模型的重要补充,并为后续研究提供重要参考。