汇聚激波诱导可燃界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

Reactive flow instability under the impact of convergent shock wave involves complex multi-scale physical mechanisms. This physical problem occurs widely in the inertial confinement fusion (ICF), supersonic combustion and supernova explosions. A numerical study on the reactive Richtmyer-Meshkov (RM) instability under convergent shock wave is proposed. By further developing the in-house conservative element/solution element (CE/SE) numerical code, reactive flow instability will be simulated, and the effects of important physical parameters will be investigated in detail numerically. The inter-relations among the flow instability, combustion and convergent shock are going to be discussed thoroughly, aiming to make a deep understanding of the fundamental mechanisms. The project initiates with the numerical method development. One-step and detailed chemical reactions as well as a turbulent model are going to be added into the present numerical work frame in order to further promote the simulation capacity. It is expected to explore the coupling of basic physical mechanisms, clarify the interactions of the convergence, combustion, and instability mechanisms, and propose a relevant quantitative physical law. A similarity law will be proposed to discover the correlations among the reactive convergent RM instability, the ICF and supernova explosions and to create practical physical model for engineering applications.

汇聚激波诱导下可燃界面的不稳定性现象涉及到复杂的多尺度演化和多种物理机制耦合等问题，具有重要的学术价值，对惯性约束核聚变、湍流爆轰以及超新星爆发等前沿问题的发展具有重要价值。本申请提出利用数值方法模拟汇聚激波作用下带燃烧的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性现象，研究复杂现象中的多种物理机制的耦合。基于项目组自主开发的时/空守恒型CE/SE求解器对带有化学反应的界面不稳定性问题进行模拟，对数值方法进行改进和优化，获得复杂流场的准确描述。项目将从数值方法的改进为出发点，添加单步、基元化学反应模型及湍流模型，完善计算程序对于复杂流场的模拟能力。探索基础物理机制之间的耦合，厘清汇聚、燃烧、失稳等因素之间的相互影响，提出定量的判别准则。从基础机理的相似性角度研究带燃烧的汇聚RM不稳定性问题与ICF和超新星爆发等前沿科学问题之间的联系，提出相似判别准则，探索具有实际指导作用的物理模型。

该项目旨在提高当前对于汇聚激波与可燃界面相互作用问题的认知水平，为带燃烧的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定现象提供有效的应用技术和科学依据，将促进对超燃冲压发动机、惯性约束核聚变、超新星爆炸等复杂问题的理解。项目组综合使用了数值、实验以及理论方法，对物理现象进行了深入研究。..数值方面，项目组搭建了基于有限体积方法（FVM）和自适应网格加密方法（AMR）的可压燃烧仿真平台。在“激波-可燃气泡相互作用”研究中，准确复现了前人的实验观测结果，并细致解释了汇聚激波点火与燃烧动力学耦合等现象；在激波汇聚现象的普遍特征问题中，发现第二类激波-激波相互作用是激波汇聚形成热点的关键因素；在稀疏波与异质面的相互作用问题中，发现界面受稀疏波影响的两阶段不稳定性；基于项目组开展的大量守恒元/解元（CESE）数值模拟工作，综述了CESE方法的建立、发展及不同研究领域的应用；在三维激波-重轻界面相互作用问题中，证实了三维界面曲率效应的作用；在斜爆轰波的形成与稳定问题中，研究了实际工况下燃烧室中的斜爆轰波系结构，发现边界层分离对燃烧室中的爆轰波类型起决定性作用。..实验方面，项目组首次研究了平面激波与带蒸汽气泡液滴相互作用的问题，观察到液滴内气泡破碎时形成的横向射流和蒸汽空腔的演化过程；项目组与中国科学技术大学合作，首次运用激波管实验方法研究了双模态RM不稳定性，证实了模态耦合现象，并发现同相位、反相位的不同模态耦合特征。..理论方面，基于稀疏波与异质面相互作用的数值结果，项目组修正了两个已有的非线性模型，合理预测了受稀疏波影响后界面的扰动发展；基于斜爆轰波的数值结果，发现燃烧室中同时有斜爆轰波和过驱正爆轰波和对推力性能的影响；基于双模态RM不稳定性的实验结果，修正了基于Haan的多模态RT不稳定性理论的RM不稳定性理论，成功预测了激波和二次谐振波的增长率。