气体界面R-M不稳定性发展机理及其控制方法研究

The Richtmyer-Meshkov(R-M) instability occurs when the interface of two fluids of different density is accelerated by shock wave, complex flow phenomena such as shock wave refraction, reflection and diffraction as well as the deformation and breaking of the gas interface are produced in this process. Hence, R-M instability has been the hotpot of related research fields. Previous studies showed that the presence of the magnetic field will influence the suppression effect significantly. On the other hand, the obstacles will enhance the R-M instability. Based on above phenomena, this project propose for revealing the evolution of R-M instability on gas interface induced by shock waves and the turbulent mixing mechanism, using the large eddy simulation(LES) combined with high order weighted essentially non-oscillatory(WENO) scheme. The influences of the intensity and direction of the magnetic field on R-M instability suppression, as well as the influences of the geometries and arrangement of barriers on R-M instability enhancement will be studied to obtain flow control method of optimal R-M instability suppression and intensification.

不同密度的流体分界面在激波诱导下会产生R-M不稳定性现象，该过程中会产生激波折射、反射、绕射以及气体界面变形破碎等复杂流动现象，一直是相关行业的研究热点。研究表明，磁场的存在会对R-M不稳定性具有抑制作用，而磁场的强度和方向则对抑制效果具有显著的影响。此外，初步研究还表明，壁面障碍物的存在会对R-M不稳定性具有加剧作用。基于此，本项目提出采用大涡模拟方法，结合高精度WENO格式，揭示激波冲击气体界面诱导R-M不稳定性的演化过程及湍流混合机理，研究磁场的强度、方向以及壁面障碍物的形状、尺寸、分布方式对R-M不稳定性发展的影响，获得具有最佳抑制和加剧R-M不稳定性的控制方法。

本项目按照项目申请书所提研究内容，开展了磁场控制下气体界面Richtmyer-Meshkov 不稳定性的演化过程数值研究。数值仿真结果描述了在有/无磁场控制条件下的平面激波冲击R22气柱界面过程中的激波结构以及界面不稳定的发展过程，在无磁场时，仿真结果与前人实验结果吻合良好，施加纵向磁场后，激波结构的演化基本无影响，但明显抑制了气柱界面的不稳定性。 激波与界面的作用，使磁感线在界面上发生折射，改变流场的磁场梯度，在内外涡量层上形成磁张力。磁张力的形成对界面流体产生一个与速度剪切相反的力矩，抑制了界面的失稳及主涡的卷起。另外，磁张力沿界面分布的不均匀，改变磁感线在界面上的聚集程度，放大磁能量，最终增强磁场对气柱界面不稳定性的抑制作用。本研究成果对揭示磁场控制气体界面RM不稳定性演化机理具有极其重要的意义。