反射激波作用气体界面的精细流场结构和湍流混合实验研究

The project proposes the methods for generating the planar reshock and the circular reshock in shock tube environments and develops different techniques for producing gaseous interfaces including the flowing soap film, gas cylinder and gas curtain. By means of the advanced high-speed schlieren photography and the laser sheet "cut-through" visualization techniques, the project investigates the detailed flow field structures and turbulent mixing of the reshocked gaseous interfaces by changing the initial conditions such as the shape and strength of the reshock and the shape of the initially perturbed gaseous interface. It is expected to observe the clear photographs of the wave propagation and the interface movement and obtain the quantitative data of the velocity, vorticity and circulation of the flow field. According to this investigation, the experimental method for studying the interaction of the gaseous interface with the reshock will be established in the shock tube environments; the formation and control of initially perturbed gaseous interfaces with different shapes will be obtained; numerical simulations and advanced theoretical models will be developed; the basic characteristics of the movement and development of the gaseous interfaces under different initial conditions will be obtained; the physical rules and mechanisms of the interface instability and turbulent mixing will be revealed. The reshock and its induced interface instability involve complicated multiscale and strongly nonlinear physical problems, which are not only of academic importance, but also have significant and wide applications in fields of inertial confinement fusion, astrophysics, space rocket engine and sophisticated weapon in national defence and others.

本申请提出在激波管中产生平面反射激波和圆弧形反射激波的方法，发展流动肥皂膜、气柱和气帘等气体界面生成技术，采用先进的高速纹影法和激光"切片"流场显示技术，通过改变反射激波的形状和强度以及初始扰动气体界面的形状等初始条件，研究反射激波与气体界面相互作用的精细流场结构和湍流混合，力求获得清晰的波系发展和界面运动图像以及流场的速度、涡量、环量等定量数据。通过本项目研究，建立在激波管中实现反射激波冲击气体界面的实验方法，掌握不同形状初始扰动气体界面的生成和控制方法，发展数值模拟和先进的理论分析方法，得到不同初始条件下气体界面变形及其发展演化的基本特征，揭示界面不稳定性与湍流混合的物理规律和内在机制。反射激波及其诱导的界面不稳定性涉及了十分复杂的多尺度强非线性物理问题，不仅具有重大的学术研究价值，在惯性约束聚变、天体物理、航天火箭发动机、国防尖端武器等领域具有重要而广泛的应用前景。

反射激波及其诱导的界面不稳定性涉及了十分复杂的多尺度强非线性物理问题，不仅在激波动力学、旋涡动力学和可压缩湍流等方面具有重大的学术研究价值，而且在惯性约束聚变、天体物理、航天火箭发动机、国防尖端武器等领域具有重要而广泛的应用前景。实验室条件下，激波冲击流体界面的激波管实验成为重要研究方法，涉及了激波的生成、可控形状初始扰动界面的形成以及精细流场结构的测试，也是该领域关注的热点和难点问题。本项目研究人员开发了平面反射激波和圆弧形汇聚激波生成方法，利用流动肥皂膜、气柱和气帘等气体界面生成技术成功得到了单模、多模、气泡、气柱、多边形、V字形、三维极小曲面等初始界面形状。采用先进的高速纹影法和激光“切片”流场显示技术，通过改变反射激波的形状和强度以及初始扰动气体界面的形状等初始条件，研究了反射激波与气体界面相互作用的精细流场结构和湍流混合，获得了清晰的波系发展和界面运动图像以及流场的速度、涡量、环量等定量数据。进一步开发了数值模拟和理论方法，进行了反射激波作用气体界面的定量分析和机理研究。与平面激波相比，产生具有理想形状的汇聚激波是一个巨大挑战，开展相应的界面不稳定性实验研究也十分困难。我们提出并建成了新型的半环形汇聚激波管、水平楔形激波管和竖直环形激波管，验证了激波管系统的可靠性和安全性，取得了大量创新性成果。通过本项目研究，建立了在激波管中实现反射激波冲击气体界面的实验方法，掌握了不同形状初始扰动气体界面的生成和控制方法，发展了数值模拟和先进的理论分析方法，得到了不同初始条件下气体界面变形及其发展演化的基本特征，揭示了界面不稳定性与湍流混合的物理规律和内在机制，为实际应用如惯性约束聚变的靶丸设计、航天火箭发动机燃烧室的设计等提供理论指导。