多介质流体界面失稳和混合的跨尺度实验研究

Interfacial instability and mixing is a typical multi-scale and nonlinear problem, which has important and wide application background such as ICF, astrophysics and nuclear weapon fields. In this proposal, a vertical shock tube rotating in 0~90 angle is utilized as loading facility, together with theoretical analysis and numerical simulation method, to experimentally study the multi-scale physical process of multi-fluid interface instability and mixing. High speed photography, shadowgraph and particle image velocimetry(PIV) are used in the macroscale experiments, while the third generation synchrotron x-ray phase contrast imaging is used in the microscale experiment which allows an unprecedented spatial resolution(2μm), nearly close to Kolmogorov scale. Thus, the multi-scale experimental ability on the fluid instability and mixing is formed for the first time. The research results will reveal the influence of initial perturbation, Atwood number and loading strength on the interface evolution process, and also have important scientific value to understand the underlying mechanism of weapon engineering field.

界面不稳定性及湍流混合是一个典型的多尺度强非线性问题，在惯性约束聚变、国防武器、天体物理等领域有着广泛而重要的应用背景。本项目拟采用可在0~90 之间任意倾角的竖式激波管作为实验装置，辅以理论分析和数值模拟方法，联合研究多介质流体界面失稳及混合的多尺度物理过程。宏观尺度实验利用高速摄影、阴影和粒子图像测速仪(PIV)技术来测量，微细观尺度实验利用第三代同步辐射光源X射线相衬成像技术来实现，空间分辨精度可以达到2μm，几乎相当于Kolmogorov尺度，由此形成界面失稳及混合的跨尺度实验研究能力。本项目的研究结果将揭示初始扰动、Atwood数和加载强度等因素对于界面演化及混合过程的影响规律，对于认识武器工程等重要领域中湍流混合问题的内在机理，具有重要的科学意义。

本项目以惯性约束聚变、国防武器、天体物理等领域中的多尺度、强非线性的界面不稳定性及湍流混合问题为需求牵引，以建立多尺度流体界面失稳与混合相关问题的实验研究能力为目标，利用多种的测试手段（可见光测试技术、X射线测试技术）获得丰富的、跨尺度的实验数据，同时对理论冲击模型进行考虑尺度效应的修正，以获得更加深入的机理性认识。.在本项目的开展过程中，项目组依照研究计划对多介质界面不稳定性及湍流混合相关问题展开了多尺度的研究工作，包括：理论模型研究方面，将尺度效应纳入正激波理论，获得了RM失稳线性模型中尺度效应的影响规律，对非线性模型进行了推导与分析讨论；宏观尺度实验研究方面，利用高速摄影、高速阴影、PIV、PLIF等多种测试技术得到了流体界面失稳演化的加载强度效应、初始倾角效应、Atwood数效应、粘性效应，通过对速度场和浓度场湍流统计量的分析，获得了混合区湍流发展特征与规律；微介观尺度流体界面失稳演化实验研究方面，基于X射线相称成像技术开展了流体界面动力学相关的微介观尺度实验，获得了时空分辨分别达到48μs和1μm的系列实验图像。通过建立多介质流体界面不稳定性及湍流混合问题的跨尺度实验研究能力，实现了对流体界面失稳及混合问题的深入分析，获得了一些机理性的认识，为进一步理解武器内爆等重要过程中的相关流体动力学问题提供了重要支撑。项目研究成果以学术论文的形式已分别发表在Physics Review E、Physics of Fluids、Shock Waves等国内外知名核心期刊，共18篇；项目组成员参加国际学术会议并作口头报告共7人次、参加国内学术会议并作口头报告15人次以上；以该项目为平台，已成功培养3名硕士研究生顺利取得硕士学位。