多模Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

The multi-mode Richtmyer-Meshkov (RM) instability plays a central role both in academic area, such as turbulent mixing formation, and in applications, such as inertial confinement fusion. The experimental investigation on the RM instability of a periodic multi-mode disturbed interface subjected to a planar shock wave, and the RM instability of a planar interface accelerated by a multi-mode disturbed shock wave in a shock tube is proposed in the project. Through the restriction of the thin needles, periodic multi-mode disturbed interfaces can be formed, and the multi-mode disturbed shock wave can be generated by a planar shock wave passing through a multi-mode disturbed interface. High-speed schlieren and continuous laser-sheet techniques are adopted to obtain the wave propagation and the interface movement during the shock-interface interaction, as well as the quantitative information of the flow field, such as the velocity and vorticity fields. Based on this investigation, a new interface formation method will be developed to generate periodic multi-mode disturbed interfaces, and the application of laser sheet technique to soap film interface will be established. Then the evolution of multi-mode disturbed interface after planar shock impact will be obtained and the mechanism of coupling and competition between different modes will be illustrated. The shock behavior after the planar shock passing through a multi-mode disturbed interface will be understood. Moreover, the development of a planar interface accelerated by a multi-mode disturbed shock wave is established, and the comparison between the classical RM instability will be made. Advanced numerical and analytical methods will further be developed to reveal the mechanism of the RM instability.

多模RM不稳定性在湍流混合形成、惯性约束核聚变中具有重要的学术及应用价值。本申请提出在激波管中开展平面激波诱导多模扰动界面RM不稳定性以及多模扰动激波诱导平面界面RM不稳定性的精细流场结构及湍流混合过程实验研究。通过细针约束肥皂膜方式生成具有周期性的多模扰动界面以及利用多模扰动界面形成多模扰动激波，采用高速纹影技术及激光切片技术力求获得激波-界面相互作用过程中的波系发展和界面演化，以及流场速度场、涡量场等定量信息。通过本项研究，发展和优化具有周期性的多模扰动界面生成技术以及掌握激光切片技术在有膜界面中的应用；得到多模扰动界面在平面激波作用下的发展规律，掌握不同模态之间的耦合与竞争关系；掌握多模扰动激波的运动特性，得到多模扰动激波诱导下平面界面的演化规律，探讨与经典RM不稳定性的异同；此外发展先进的数值模拟和理论方法，揭示界面不稳定性产生和发展的内在机理。

本项目开展了平面激波诱导多模界面演化的研究，取得的创新性进展总结如下： .1.开展了平面激波与类单模界面相互作用的实验研究，考虑了初始高阶模态对弱非线性阶段扰动增长的影响。发现振幅增长可通过各阶模态叠加得到。初始界面偏离单模形状越多，需要叠加的阶数越多。.2.研究了界面非周期性对V形界面增长的影响。发现非周期性改变了界面中气泡和尖钉的比例关系，导致气泡和尖钉的增长率发生变化，从而改变界面整体增长率，并修正了已有的理论模型。.3.研究了复杂多模界面中的每一个模态的扰动增长和界面整体混合宽度的增长对初始频谱的依赖性。提出了新的非线性模型来预测多模界面的扰动增长。新的模型适用于不同组成模态、马赫数和 Atwood 数。.4.开展了平面激波与重气层相互作用的实验研究，研究了波系及界面耦合对扰动发展的影响规律。发现在第二道界面上反射的稀疏波会加速第一道界面的运动。流场结构与初始两道界面的振幅、相位依赖性较大。.5.开展了V 形气泡构型界面演化实验研究。发现界面宽度线性增长率是振幅波长比的非单调函数，证明了增长率最大值所对应的振幅波长比与初始Atwood数密切相关。针对后期的弱非线性发展，提出了一个经验模型。.6.实验研究了多模界面中的气泡竞争机制，发现气泡竞争对大小界面的尖钉结构都起到抑制作用，但对大小界面的气泡分别起到促进和抑制作用。因此，气泡竞争促进了大界面的振幅增长，而抑制了小界面的振幅增长。.7.开展了横波对多模界面演化影响的研究，探讨了激波强度及界面振幅的影响。发现横波及激波接近效应使气泡头部变平。发现在大振幅和强激波条件下，横波和激波接近效应会引入外力，导致新的高阶模态的产生以及一阶模态振幅的降低。. 总之，该项目按计划完成了预定内容，研究成果将有助于凝聚研究方向，形成较好的人才队伍。通过本项目研究，获得了平面激波诱导的多模界面扰动发展规律，揭示了模态耦合与竞争对界面失稳的影响规律及机理，为惯性约束核聚变等实际应用提供了重要的指导。