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Numerical study on Rayleigh-Taylor effect on cylindrically converging richtmyer-meshkov instability

Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2019年第12期62卷 68-77页

作者： ZhiGang Zhai Fu Zhang ZhangBo Zhou JuChun Ding Chih-Yung Wen Department of Modern Mechanics University of Science and Technology of ChinaHefei 230026China Beijing Institute of Space Long March Vehicle Beijing 100076China Department of Mechanical Engineering The Hong Kong Polytechnic UniversityHong Kong 999077China

Evolution of a two-dimensional air/SF6 single-mode interface is numerically investigated by an upwind CE/SE method under a cylindrically converging circumstance. The Rayleigh-Taylor effect caused by the flow deceleration on the phase inversion(RTPI)is highlighted. The RTPI was firstly observed in our previous experiment, but the related mechanism remains unclear. By isolating the three-dimensional effect, it is found here that the initial amplitude(a0), the azimuthal mode number(k0) and the re-shocking moment are the three major parameters which determine the RTPI occurrence. In the variable space of(k0, a0), a critical a0 for the RTPI occurrence is solved for each k0, and there exists a threshold value of k0 below which the RTPI will not occur no matter what a0 is. There exists a special k0 corresponding to the largest critical a0, and the reduction rule of critical a0 with k0 can be well described by an exponential decay function. The results show that the occurrence of the RTPI requires a small a0 which should be less than a critical value, a large k0 which should exceed a threshold, and a right impinging moment of the re-shock which should be later than the RTPI occurrence. Finally, the effects of the incident shock strength, the density ratio and the initial position of the interface on the threshold value of k0 and on the maximum critical a0 are examined. These new findings would facilitate the understanding of the converging richtmyer-meshkov instability and would be helpful for designing an optimal structure of the inertia confinement fusion capsule.

关键词： converging shock wave Rayleigh-Taylor effect richtmyer-meshkov instability

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纵向磁场抑制richtmyer-meshkov不稳定性机理

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物理学报 2020年第18期69卷 239-249页

作者：沙莎张焕好陈志华郑纯吴威涛石启陈北京电子工程总体研究所北京100854 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094 南京理工大学机械工程学院南京210094

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU(corner transport upwind)+CT(constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面richtmyer-meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性... 详细信息

基于理想磁流体动力学方程组,采用CTU(corner transport upwind)+CT(constrained transport)算法,数值研究了磁场控制下R22气柱界面richtmyer-meshkov不稳定性的演化过程.结果描述了平面激波冲击气柱界面过程中激波结构和界面不稳定性的发展;无磁场时,流场结构与Haas和Sturtevant(Hass J F,Sturtevant B 1987 *** Mech.18141)的实验结果相符;施加纵向磁场后,激波结构的演化基本无影响,但明显抑制了气柱界面的不稳定性.进一步研究表明,激波与界面的作用,使磁感线在界面上发生折射,改变流场的磁场梯度,在内外涡量层上形成磁张力.磁张力的形成,对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩,抑制了界面的失稳及主涡的卷起.另外,磁张力沿界面分布的不均匀,改变磁感线在界面上的聚集程度,放大磁能量,最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用.

关键词： richtmyer-meshkov 不稳定性磁流体激波圆形气柱

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不同磁场构型下richtmyer-meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解

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物理学报 2019年第16期68卷 262-272页

作者：董国丹郭则庆秦建华张焕好姜孝海陈志华沙莎南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094 City College of New York The City University of New York New York 10031 USA 北京电子工程总体研究所北京100854

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面richtmyer-meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF6射... 详细信息

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面richtmyer-meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF6射流穿过下游界面;有磁场时,界面光滑无涡串.其中,横向磁场下界面更光滑, SF6射流不再穿过界面.此外,由于richtmyer-meshkov不稳定性的作用,磁力线在气柱界面发生扭曲,且上游界面处磁力线扭曲程度更大,产生强洛伦兹力,使涡量分层明显;下游界面处,纵向磁场产生的洛伦兹力较横向磁场更小,涡层之间相互干扰.最后,本文将动态模态分解用于界面不稳定性研究,发现:磁场作用下界面仍存在小涡,且纵向磁场下扰动更多.第一模态的稳定涡结构能反映主要流场信息,第二到第四模态下的小涡频率依次增加,且无磁场、纵向和横向磁场的同一模态下,小涡频率依次减小.因而磁场能抑制小涡频率,且横向磁场抑制效果更好.

关键词： richtmyer-meshkov 不稳定性磁流体动力学动态模态分解轻质气柱

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Large-eddy simulations of the richtmyer-meshkov instability of rectangular interfaces accelerated by shock waves

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2010年第12期53卷 905-914页

作者： WANG Tao,BAI JingSong,LI Ping & LIU Kun Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China 1. Institute of Fluid Physics China Academy of Engineering Physics Mianyang 621900 China

A parallel algorithm and code MVFT(multi-viscous-fluid and turbulence) of large-eddy simulation(LES) is developed from our MVPPM(multi-viscous-fluid piecewise parabolic method),and performed to solve the multi compressible Navier-Stokes(N-S) *** effect of the unresolved subgrid-scale(SGS) motions on the large scales is represented by different SGS stress models in LES.A richtmyer-meshkov instability experiment of the evolution of a rectangular block of SF6,which occupies half of the height of the shock tube test section,following the interaction with a planar shock wave,is numerically and exhaustively simulated by this *** comparison between experimental and simulated images of the evolving SF6 block shows that they are *** numerical simulations reproduce the complex developing process of SF6 block,which grows *** geometric quantities that characterize the extents of SF6 block are also compared in detail between numerical simulations and experiment with good agreements between them,a quantitative demonstration of the developing law of SF6 *** is an evident discrepancy between the three numerical simulations for the maximum position of the right edge of block at the late stage,because the right interface grows complicated and the dissipation is different for different SGS *** SGS turbulent dissipation,molecular viscosity dissipation and SGS turbulent kinetic energy have been studied and *** have a similar distribution to the large eddy *** SGS turbulent dissipation is much greater than the molecular viscosity dissipation;the SGS turbulent dissipation of Vreman model is smaller than the Smagorinsky *** general,the simulated results of Vreman SGS model are better compared with the dynamic viscosity and Smagorinsky SGS *** vorticity and circulation deposition on the block interface have also been investigated.

关键词： large-eddy simulation Navier-Stokes equations subgrid-scale richtmyer-meshkov instability turbulent dissipation turbulent kinetic energy circulation deposition

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richtmyer-meshkov失稳的数值模拟

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计算物理 2001年第5期18卷 390-396页

作者：程军波傅德薰马延文 LNM 中国科学院力学所北京100080 LHD 中国科学院力学所北京100080

利用五阶迎风紧致差分格式加群速度控制方法对激波与轻气体柱形界面的干扰问题进行直接数值模拟 ,并研究了涡量的产生及其发展和界面的变形 ,分析了柱形界面的失稳过程 ,得知在线性发展阶段 ,重气体以恒定的速度进入到轻气体中 ,并形成... 详细信息

利用五阶迎风紧致差分格式加群速度控制方法对激波与轻气体柱形界面的干扰问题进行直接数值模拟 ,并研究了涡量的产生及其发展和界面的变形 ,分析了柱形界面的失稳过程 ,得知在线性发展阶段 ,重气体以恒定的速度进入到轻气体中 ,并形成尖钉结构 ;在非线性发展阶段 ,在尖钉头部的两侧形成一对旋转方向相反的涡结构 .同时证实了激波与界面的相互干扰有助于增加混合 .并将所得的数值解与实验结果进行了比较 .

关键词：五阶迎风紧致差分格式群速度控制格式 richtmyer-meshkov 失稳轻气体柱形界面斜压效应数值模拟激波干扰

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再冲击诱导的richtmyer-meshkov不稳定性及湍流混合研究

再冲击诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性及湍流混合研究

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作者：宋玉北京化工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： richtmyer-meshkov 激波再冲击湍流混合定量模型

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实现可控再冲击richtmyer-meshkov混合的理论方案与应用

气动研究与试验

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气动研究与试验 2024年第4期2卷 70-81页

作者：宋玉王宇辉张又升北京化工大学北京100029 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 计算物理全国重点实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871

激波再冲击richtmyer-meshkov(RM)湍流混合现象广泛存在于各类自然现象和工程问题中。混合宽度作为刻画RM混合演化最基础的物理量,影响其再冲击后演化的再冲击时间、马赫数等关键物理量已被探明,但定量依赖关系尚存争议。导致上述现状... 详细信息

激波再冲击richtmyer-meshkov(RM)湍流混合现象广泛存在于各类自然现象和工程问题中。混合宽度作为刻画RM混合演化最基础的物理量,影响其再冲击后演化的再冲击时间、马赫数等关键物理量已被探明,但定量依赖关系尚存争议。导致上述现状的一个原因在于现有再冲击RM混合实验和模拟方案,难以做到仅让某单一依赖变量孤立变化,导致确定定量关系的难度增加。为此,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。本文在描述新型激波管全过程演化的基础上,结合冲击波关系式、等熵波关系式和接触界面相容关系,给出了全过程中各运动学和热力学量的详细理论计算公式。最后,基于这些理论关系和数值模拟,对Leinov等研究的再冲击RM混合实验进行了再评估。发现在某些工况下,实验数据与理论预测存在一定偏差,这可能暗示了关键数据测量中的潜在误差,研究结果为未来的实验和数值模拟提供了参考。

关键词： richtmyer-meshkov 激波再冲击湍流混合数值模拟

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经典richtmyer-meshkov不稳定性非线性饱和阈值

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绵阳师范学院学报 2015年第5期34卷 30-33页

作者：刘万海王翔绵阳师范学院计算物理研究中心四川绵阳621000 兰州城市学院甘肃兰州730070

采用小扰动展开法展开到三阶研究了一定压力支撑下的经典流体界面处发生的richtmyer-meshkov不稳定性,并按照已有Rayleigh-Taylor不稳定性中非线性饱和阈值的定义,给出了经典平面richtmyer-meshkov不稳定性非线性饱和阈值的解析式.研究... 详细信息

采用小扰动展开法展开到三阶研究了一定压力支撑下的经典流体界面处发生的richtmyer-meshkov不稳定性,并按照已有Rayleigh-Taylor不稳定性中非线性饱和阈值的定义,给出了经典平面richtmyer-meshkov不稳定性非线性饱和阈值的解析式.研究表明,该饱和阈值不仅受到初始扰动波长的影响,还受到初始界面扰动幅值的影响;当不考虑界面扰动幅值效应时,该饱和阈值随初始扰动波长的增加而线性增加;用界面初始扰动波长无量纲后的该饱和阈值大约是0.11,略高于对应Rayleigh-Taylor不稳定性非线性饱和阈值.

关键词： richtmyer-meshkov 不稳定性非线性饱和阈值三阶扰动展开

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激波管中richtmyer-meshkov不稳定性的实验研究

激波管中Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

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中国科协第235次青年科学家论坛——极端复杂测试环境下实验力学的挑战与应对

作者：罗喜胜司廷杨基明中国科学技术大学近代力学系激波实验室

当激波作用于不同密度的物质界面时,界面将获得有限的加速度,界面上的扰动会逐渐演化发展,最终出现不断扩展的湍流混合层,这就是richtmyer-meshkov(RM)不稳定性问题。RM不稳定性问题是一种十分复杂的多尺度强非线性物理问题,是高能量密... 详细信息

当激波作用于不同密度的物质界面时,界面将获得有限的加速度,界面上的扰动会逐渐演化发展,最终出现不断扩展的湍流混合层,这就是richtmyer-meshkov(RM)不稳定性问题。RM不稳定性问题是一种十分复杂的多尺度强非线性物理问题,是高能量密度物理研究的主要内容之一,在天体物理、惯性聚变能源、水中炸药爆炸、航天火箭发动机、国防尖端武器等领域有着重要而广泛的研究背景。

关键词：激波管 richtmyer-meshkov 不稳定性

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Air/SF6界面richtmyer-meshkov不稳定性实验研究

Air/SF6界面Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究

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第十二届全国实验力学学术会议

作者：刘金宏邹立勇黄文斌谭多望流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室

两种不同密度流体交界面的扰动发展主要受Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性、richtmyer-meshkov(R-M)不稳定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性的影响:在重力或惯性力的质量力作用下不同流体界面的不稳定为R-T不稳定性;当激波作用流体界面... 详细信息

两种不同密度流体交界面的扰动发展主要受Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性、richtmyer-meshkov(R-M)不稳定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性的影响:在重力或惯性力的质量力作用下不同流体界面的不稳定为R-T不稳定性;当激波作用流体界面时,也会引起界面的失稳,这种不稳定称为R-M不稳定性;两种流体界面存在速度差,造成界面的扰动发展,这种失稳称为K-H不稳定性。这些界面不稳定性现象无论在自然界(天体物理或地球),还是在惯性约束聚变(ICF),高速碰撞和加速等高技术领域中都是客观存在的,甚至在水力机械以及各种发动机也都是非常重要。界面不稳定性非线性阶段比较清楚,但非线性阶段和后期的湍流混合还有很多需要认识,相关研究具有十分重要的实际和理论价值。

关键词： richtmyer-meshkov 不稳定性气气界面高速摄影

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