激波往复冲击对高密度比Richtmyer-Meshkov湍流混合的影响机制研究

The Richtmyer-Meshkov instability (RMI) is a common phenomenon in astrophysics, implosions of weapons and inertial confined fussion (ICF), in which reshock is of great importrance for the development of flow structures and mixing-zone width. Previous researches in this field mainly concentrated on the two topics: the parameteric study of the growth of mixing-zone width, and the deformation of flow structures because of the reshocks in the nonlinear stage of RMI. Since the density ratio in industrial projects can be very high，our research will be on the influence of reshocks in the RMI turbulent mixing under high density ratio, emphasizing on the structures, the length scale and energy transport of turbulence. The detailed items that will be included are as follows: (1)the physical process during the interactions between reshocks and the mixing zone, e.g. the turbulent density, turbulent length scales will be discussed, (2) the mechanism under the influence by the reshocks on the mixing zone, e.g. the budget of vorticity and turbulent kinetic energy(TKE), and the mechanism of TKE amplification, and (3) exploring the evolutions of turbulent structures and its inherent relationship with the growth of mixing-zone width. This project will deepen our knowledge in this specific issue, contributing the improvement of turbulent mixing models and analytical models of mixing-zone width.

Richtmyer-Meshkov不稳定性（RMI）及其诱导的湍流混合是天体物理、武器内爆、惯性约束聚变（ICF）等问题中常见的现象，激波的往复冲击是影响流场结构和混合区宽度增长的关键因素。前人的研究侧重于各控制参数对混合区宽度增长的影响和二次冲击非线性阶段混合区所致流动结构变化。考虑到ICF等问题中的密度比都较高，本项目将以高密度比平面RMI为对象，从湍流场结构、尺度、能量输运出发，研究激波往复冲击对RMI湍流混合的影响及影响机制。主要内容为：（1）研究激波冲击RMI湍流混合区（多介质湍流场）的精细物理过程。重点关注湍流强度、湍流尺度等统计量；（2）分析激波冲击对涡量和湍动能输运的影响，考察激波增强湍流强度的机制；（3）探索激波过后湍流结构演化，挖掘其与混合区宽度增长的内在联系。通过此项研究，将加深对该科学问题的认识，为发展和改进湍流混合模型、混合区宽度增长模型打下基础。

Richtmyer-Meshkov（RM）湍流混合广泛存在于超新星爆发、惯性约束聚变等自然现象及工程科学中。其典型特征之一是波系往复作用导致混合区湍流输运及混合宽度的复杂演化，是学术研究的热点和难点。本项目据此展开，主要研究工作及成果如下。.1.平面工况含激波二次冲击RM湍流混合研究。给出了波系对混合区的影响：①稀疏波（压缩波）作用阶段，混合区整体加速（减速），湍流混合受到Rayleigh-Taylor (RT)失稳（致稳）影响；②压力梯度生成项和速度梯度生成项对湍动能生衰的贡献相反，前者幅值大于后者。稀疏波（压缩波）阶段，压力梯度生成项为正（负），湍动能增加（减小）；③混合宽度增长伴随大尺度结构的生成；激波冲击、稀疏波过后，结构纵向拉伸，压缩波过后结构被压缩。.2. 混合宽度增长机制的理论基础。针对一般混合演化，给出了混合宽度增长率分解公式，由平均流场拉伸压缩效应、轻重流体相互穿插效应以及粘性扩散效应共同决定。据此给出了混合宽度演化的定量模型。数值模拟验证表明该模型适用于宽泛密度比区间。.3. 柱几何RM后期湍流演化。重点考察了后期湍流演化的自相似行为。发现向内汇聚的物质界面将整体拉伸混合区，同时促进两种流体相互穿插。轻重流体穿插效应所贡献的混合宽度增长满足幂次律，这与平面工况类似。混合区平均组分剖面经混合宽度归一化后近似重合。气泡和尖钉的直径与其对应的混合区高度之比在演化后期趋于常数。.4. 汇聚几何RM湍流混合中拉伸压缩效应的定量评估。结合混合宽度增长率的分解公式和线性理论，给出了不同几何下（平面、柱面、球面）拉伸压缩效应的理论公式。结果表明，界面收缩导致混合区被拉伸，流体压缩导致混合区被压缩。通过柱面和平面工况RM演化的对比发现：拉伸压缩效应是汇聚几何RM演化的关键特征。进一步定量给出了拉伸压缩效应在汇聚几何RM混合宽度增长中的贡献。.本文的工作显著增进了学术界对复杂工况湍流混合演化的认识，为进一步发展混合宽度预测模型、工程湍流模型奠定了基础。