激波气柱相互作用过程中的界面演化和射流问题研究

激波冲击物质界面引起的不稳定性演化、射流和混合问题广泛存在于惯性约束聚变、天体物理、水中爆炸、国防尖端武器等重要的应用背景中。在激波与密度较大的重气柱相互作用过程中，由于声阻抗不匹配和曲率导致的非线性声学效应，初始界面相当于一个汇聚透镜，激波会发生不规则折射，衍射激波和透射激波会在下游极点附近相遇，发生碰撞和聚焦现象，导致压力和密度大幅上升，诱发二次激波和二次斜压涡机制。本项申请拟采取实验和数值模拟相结合的方法，利用激波管设备和粒子图像测速(PIV)、平面激光诱导荧光(PLIF)、高速摄影等测试技术，开展激波与多种重气柱界面相互作用和射流发展的精细实验，获得定量可信的实验数据和演化图像，同时利用计算程序开展与实验相应的数值模拟研究，实现二者的较好吻合，深入认识其中界面演化、激波聚焦、射流发展和物质混合等问题的内在机制和物理规律，发展理论模型，为实际工程应用奠定基础。

本项目以惯性约束聚变、超新星物理、超燃等领域为需求背景，利用高速摄影、粒子图像测速(PIV)、平面激光诱导荧光(PLIF)等技术，以及VAS2D程序，实验和数值模拟研究了激波与气柱相互作用过程中的界面演化和射流问题，获得了尺度比例、界面相互作用和二次冲击效应对Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性演化及混合过程的影响。.经过四年的努力，本项目按照预定计划，开展了一系列的研究工作，完成了全部研究内容，顺利实现了预期的研究目标。采用高速摄影、PIV及PLIF等测试技术，获得了激波气柱相互作用过程中的流场演化像、速度场、涡量场、浓度场和环量等定量的实验数据。通过开展激波冲击不同长短轴比率的椭圆气柱实验，研究了尺度比例对界面演化的影响规律，结果表明，随着长短轴比率的增加，界面瞬时混合率单调增加，涡对运动速度与修正的经典Rudinger-Somers模型较好吻合，PIV测量环量值与理想对涡模型理论结果基本符合；通过开展不同初始中心间距的双椭圆气柱实验，研究了界面相互作用对RM不稳定性的影响规律，发现气柱不稳定性演化随着界面相互作用的强弱发生了模式转变，以及明显的内涡弱化现象，并对弱化原因进行了斜压涡和波系振荡机理分析；通过开展不同反射间距的再加载实验，研究了二次冲击对于RM不稳定性发展规律，发现一次冲击后的界面两侧密度梯度和界面形状，对于二次涡对的形成和发展具有重要影响；利用VAS2D程序，计算研究了激波冲击多种不同密度的气柱/泡界面问题，获得了密度比、激波强度等因素对于界面演化过程的影响规律，特别是聚能效应和射流现象的产生和发展。本项目在实施过程中，投稿《Physics of Fluids》一篇(初审两位评委一致推荐修改后发表)，在《Journal of Fluid Engineering》、《Science China-G》、《Acta Mechanica Sinica》、《中国科学》等国内外知名期刊发表或接收文章15篇，国际会议文章2篇，全国性会议特邀大会报告1次，国内会议分组报告4次，获批国家发明专利1项，获得军队科技进步二、三等奖各1项，全国性会议获奖1人，被聘为中国力学学会第十届激波与激波管专业委员会委员1人，被聘为流体物理所界面不稳定性方向首席研究员1人，项目组总体研究水平、学术影响力和人才队伍建设得到了显著提升。