反应性RM不稳定湍流混合特性与火焰界面结构演化特征研究

The premixed flame interface with initial perturbations can result in a reactive Richtmyer-Meshkov (RM) instability impacted by shock waves, in which small-scale turbulent mixing has an important influence on the combustion process during the later stage of the RM instability. The phenomenon, which involves in the complex evolutions in time and space and the interactions among the shock waves, turbulence and combustion, is ubiquitous in the nature and the man-made activities, such as, supersonic combustion propulsion, industrial explosion events. However, the fundamental issues associated with the physics and chemistry in the RM instability are still not fully understood up to now. In this project, an implicit large eddy simulation strategy, which is in context of reactive RM instability, will be developed to study the behaviors of perturbation evolution on the premixed flame interface impacted by shock wave and its reshock waves during the medium and later stages of the reactive RM instability. The study includes mechanism of chemistry on the perturbation growth and turbulent mixing features of mixing layer, structure developments and propagation modes of premixed flame interface driven by shock waves, and effects of initial pattern of flame interface and initial shock wave strength on the turbulent mixing and interfacial structure evolutions during reactive RM instability process. It is expected that the results of the project can not only supplement the new knowledge for understanding the reactive RM instability, especially for development and evolution of small scale structure during the medium and later stages of the instability, but also provide the significant fundamentals for using or controlling such instability in the practical processes.

带扰动的预混火焰界面在激波冲击下可发生有化学反应的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定现象，其发展后期流场逐渐形成小尺度湍流混合并对燃烧过程产生重要影响，该现象涉及到复杂的时间和空间演化，也涉及到激波、湍流和燃烧的相互作用，是自然界以及超燃发动机推进和工业爆炸灾害等人类活动中常见的现象，但其中蕴含的基本物理、化学问题迄今未得到充分认识。本项目拟发展适合上述现象研究的隐式大涡模拟方法，研究激波及其反射激波冲击下的预混火焰扰动界面中、后期发展行为。包括：化学反应对扰动发展和混合层湍流混合特性的作用机制；激波驱动下的预混火焰界面结构演化和传播特征；不同界面初始扰动条件和初始入射激波强度对湍流混合特性及界面结构演化规律的影响等。相关研究不仅可为理解反应系统中的RM不稳定现象，尤其是中、后期小尺度结构的发展演化提供科学认识，而且还可以为实际过程中利用或控制这一过程提供重要的理论基础。

激波与预混火焰界面的相互作用是伴随化学反应放热的复杂流动现象，又称之为反应性RM不稳定过程，其中的涡旋运动、湍流混合以及化学反应主导了这一流动不稳定过程。该过程在自然界和人类活动中（如超燃推进发动机和工业爆炸灾害）普遍存在，但一些基本的规律和特性尚未得到充分认识，因此，开展相关研究具有重要的学术意义和应用前景。本项目以此为背景，采用高效率和高精度数值方法，构造了基于隐式大涡模拟（ILES）的计算方法，开展了均匀介质和非均匀介质下激波及其反射激波与预混火焰界面相互作用的数值模拟研究，着重探讨了作用后期的湍流混合特性和火焰界面的演化。主要内容包括：高精度高效计算格式和隐式大涡模拟计算方法的构造；均匀介质中激波诱导的火焰界面结构演化与预测；均匀介质中反应性RM不稳定的湍流混合特性和结构演化；非均匀介质中激波诱导的火焰界面结构演化等。得到的重要结果和结论包括：（1）澄清了均匀介质中不同反应活性下界面“钉-帽”结构沿流向发展以及“泡”结构逆流向发展的规律，在此基础上根据层流火焰传播理论提出了预测上述两种结构发展速率的数学公式，预测结果与数值模拟结果吻合良好。（2）获得了反应性RM不稳定湍流混合阶段混合区时空演化、涡量生成特性、谱特性以及流动拓扑结构演化的规律。发现能谱和拟涡能谱分别具有-3和-2律的自相似区；在湍流混合阶段，P-Q-R空间的概率密度函数（pdf）显示了与各向同性湍流类似的“泪滴”型分布。（3）揭示了非均匀介质中平面入射激波与平直界面（惰性）相互作用导致的界面特有的“钉-钉”结构，提出了用于预测该界面发展的修正的Mikaelian公式，其预测结果与数值模拟结果吻合良好。发现在非均匀介质中平面入射激波与平直火焰界面的相互作用仍存在“钉-钉”结构，并针对不同反应活性和均匀度对火焰界面演化的影响开展了研究，结果表明流场的不均匀可以极大促进火焰界面的演化过程。