爆轰驱动液体抛撒的界面不稳定性及首次破碎的实验研究

液体燃料爆炸抛撒过程中界面不稳定性的演化及首次破碎过程是液体燃料爆炸抛撒研究领域的关键问题。项目针对现有爆炸抛撒近场阶段实验数据和图像极其匮乏的问题，提出利用垂直矩形截面激波管，实现氢氧爆轰驱动的液体抛撒。采用纹影光学系统和高速摄影仪开展液体环内侧界面RM不稳定性和外侧界面RT不稳定性的流场精细结构显示研究，并对爆轰波与液体自由界面相互作用所形成的透射、反射及稀疏波等波系进行实验研究，力求获得界面运动、扰动发展、失稳直至液体破碎的精细流场信息。通过本项目研究，建立和掌握在垂直矩形截面激波管中实现爆轰驱动液体抛撒的实验方法，得到液体环内、外侧界面不稳定性的演变过程，认识在RM不稳定性和RT不稳定性的共同作用下，液体环失稳及首次破碎的基本规律与特征。在揭示爆炸抛撒驱动液体环失稳及首次破碎的内在机制与规律的同时，为相应的理论分析和数值计算方法的发展提供强有力的实验验证数据。

本项目设计了利用垂直激波管实现液体轴对称抛撒的实验装置，通过高速摄影技术获得不同马赫数的冲击波在气液两相界面反射所形成的不同驱动压力作用下、不同实验液体组分的气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的时间序列。实验结果表明，该套装置可以清晰的观察到液体轴对称抛撒过程中RT不稳定性和RM不稳定性的发展过程，以及混合区的气泡和尖钉生长直至液体发生首次破碎的实验照片。但由于不锈钢法兰对于光线的遮挡，无法观察界面不稳定性发展的早期过程。对实验结果的分析表明，冲击波马赫数以及驱动压力的增大导致初始扰动波的波长减小和扰动波数的增加，且尖钉的发展速度随之增大，其受到KH不稳定性和表面张力的影响更为强烈，尖钉发生破碎并与气流混合的程度更为剧烈。实验液体发生首次破碎的位置基本不随驱动压力的升高而改变。液体前锋的加速度曲线呈现出前期基本不变，后期迅速增大的趋势。通过不同组分的实验液体的对照发现，由于粘性的存在，不稳定性的发展将受到抑制，且随着粘性系数的增大，扰动波的增长系数随之减小。