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richtmyer-meshkov不稳定性扰动增长率冲击模型的微尺度效应

实验力学 2019年第1期34卷 47-54页

作者：张文斌邹立勇中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室

本文通过考虑流体介质输运性质对激波理论的影响,针对微型激波管中的richtmyermeshkov(RM)不稳定性,分析了微尺度效应对三种冲击模型扰动增长率的影响。一维气体动力学计算结果表明:流动尺度对于richtmyer模型、Meyer-Blewett(M-B)模型... 详细信息

本文通过考虑流体介质输运性质对激波理论的影响,针对微型激波管中的richtmyermeshkov(RM)不稳定性,分析了微尺度效应对三种冲击模型扰动增长率的影响。一维气体动力学计算结果表明:流动尺度对于richtmyer模型、Meyer-Blewett(M-B)模型和Vandenboomgaerde-Mügler-Gauthier(V-M-G)模型中的线性扰动增长率有显著影响。当流动尺度由宏观状态逐渐减小至微尺度时,三种模型的扰动增长率均会经历从少量增长到明显下降,然后迅速上升的过程。微尺度条件下,V-M-G模型的扰动增长率相比宏观尺度有显著提高。与其他两种模型相比,修正后的V-M-G模型更合理地描述了微尺度效应对于线性扰动增长率的影响。此外,对于修正后的V-M-G模型,当入射激波马赫数较低时,扰动增长率受微尺度效应的影响更为明显。

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性微尺度激波增长率

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richtmyer-meshkov不稳定性诱导湍流混合的数值模拟研究

Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导湍流混合的数值模拟研究

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作者：周彰博中国科学技术大学

学位级别：博士

richtmyer-meshkov(RM)不稳定性是指不同流体的分界面受到瞬时冲击加载后,界面上的初始扰动随着时间不断增长,并伴随着小尺度结构的生成,在一定条件下可转捩为湍流(称为RM湍流)的流动现象。RM湍流是惯性约束核聚变、超燃冲压发动机以及... 详细信息

richtmyer-meshkov(RM)不稳定性是指不同流体的分界面受到瞬时冲击加载后,界面上的初始扰动随着时间不断增长,并伴随着小尺度结构的生成,在一定条件下可转捩为湍流(称为RM湍流)的流动现象。RM湍流是惯性约束核聚变、超燃冲压发动机以及超新星爆发等工程应用和自然现象中的一个重要现象,相关研究很有意义。RM湍流是一种可压缩的变密度湍流,相比传统的湍流更为复杂,这给实验流场诊断技术和数值模拟方法提出了巨大的挑战。RM湍流数值模拟的主要困难在于对激波等间断结构的有效捕捉和小尺度湍流结构的精确解析。具体来说,一方面,数值格式需要具有一定的耗散以抑制间断附近的伪振荡,另一方面,格式需要具有尽可能小的耗散和色散(即良好的谱特性)来准确地解析涵盖广泛尺度的湍流结构。针对这个问题,本文发展了一种基于非线性优化策略的高精度加权紧致非线性格式(weighted compact nonlinear scheme,WCNS)。随后本文基于优化的WCNS格式开发了适用于三维可压缩多组分流动的数值模拟程序,并探究了三种不同多模扰动工况下的RM湍流混合的演化过程,研究了混合层内尺度间动能传输情况,建立了 RM湍流中结构函数的唯象模型。本文的主要工作内容如下:1.考虑到流动结构的多样性和激波捕捉格式非线性机制的影响,本文提出了一种新的非线性优化策略,并基于此构造了一种具有优化谱特性的WCNS格式。格式的优化过程分为两个步骤:一是优化色散参数η来获得最小数值色散;二是根据局部流动结构特征来调整耗散参数ξ和非线性权函数的参数C以获得自适应的数值耗散。通过与双通量算法相结合,优化的WCNS格式被拓展到可压缩多组分流动。大量基准算例的结果表明,优化的WCNS格式能够稳定捕捉激波、接触间断,并能解析丰富的小尺度结构,适用于可压缩湍流混合的数值模拟。2.数值研究了 RM湍流混合的演化过程,涉及三个不同初始带宽的随机多模扰动工况。首先,分析了三个工况下混合层内混合统计量的差异,发现宽频扰动工况中初始大尺度扰动的存在使得混合宽度自相似增长指数更大,而没有初始大尺度扰动的两个高波数窄频扰动工况中混合宽度的演化相同。在自相似演化阶段,湍动能的衰减指数和分子混合分数的渐近值均与混合宽度的增长指数相关。相比高波数窄频扰动工况,宽频扰动工况的混合层内混合的效率更低、各向异性和非均匀性程度更高。随后,采用粗粒度方法在三个滤波尺度下探究了三种工况中混合层内亚格子能量通量的演化情况,发现形变功和压力梯度功(baropycnal功)在尖钉与气泡区域存在传输方向上的不同偏好。首次在RM湍流中对压力梯度功的非线性模型进行了先验测试,获得了高相关度的结果。引入应变-拟涡能角探究了混合层内的应变效应和旋转效应,发现形变功在应变主导的区域更加强烈,而压力梯度功在应变效应与旋转效应之间没有明确的取向。3.从数值和理论上研究了 RM湍流结构函数的标度律,发现在模拟的马赫数下RM湍流中标量场比速度场表现出更大程度的间歇性,并且前者的小尺度统计受到大尺度的影响也更大。通过引入外部作用的影响,首次建立了RM湍流中结构函数的唯象理论,给出了 RM湍流的速度和标量结构函数的时空标度律。数值模拟结果中结构函数的空间标度指数偏离了 Kolmogorov指数,而十分接近RM修正的异常标度指数,这验证了该唯象理论的有效性。

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性湍流混合 WCNS格式非线性优化粗粒度方法标度律

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richtmyer-meshkov不稳定性的数值模拟及其特征分析

Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值模拟及其特征分析

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作者：田保林中国科学院力学研究所

学位级别：博士

richtmyer-meshkov(R-M)不稳定性是激波加速两种密度不同的分层流体所导致的界面不稳定性现象.它在惯性约束热核聚变(ICF)、超新星动力学等领域都有着广泛的应用背景.该文针对R-M不稳定性,建立了具有高精度和高分辨率的数值方法,分析和... 详细信息

richtmyer-meshkov(R-M)不稳定性是激波加速两种密度不同的分层流体所导致的界面不稳定性现象.它在惯性约束热核聚变(ICF)、超新星动力学等领域都有着广泛的应用背景.该文针对R-M不稳定性,建立了具有高精度和高分辨率的数值方法,分析和研究了其物理机理.该文发展了带群速度控制的三阶迎风紧致格式,用以逼近可压缩流体力学方程组;建立了迎风紧致格式求解Hamilton-Jacobi方程的高精度算法,并将其应用到Level set方程及其重新初始化方程的求解中,提高了界面捕捉精度;针对柱形激波作用下的R-M不稳定性问题,解决了柱坐标下控制方程中的极点奇异性问题,并结合径向网格加密技术建立了自适应加密算法,提高了数值模拟的分辨效果.由此该文在数值模拟基础上,对R-M不稳定性的物理机理进行了比较系统的研究.分析了Atwood数、可压缩性、粘性、初始扰动等参数对R-M不稳定性的影响.对于较大的初始扰动振幅,甚至在平面激波情形下,界面不稳定性的发展很快进入非线性发展阶段,形成钉子和泡状结构等典型非线性结构.对于柱形激波情形,由于边界条件的非线性,其非线性效应更加明显.从中心反射回来的激波多次和界面作用(reshock),促进了不稳定性的进一步非线性发展,其扰动振幅和增长率也呈现了与平面激波情形不同的特点.对于平面激波情形,该文系统地比较了各种线性冲击模型,分析了各种模型的有效性和适用范围.并且提出了一种改进的冲击模型,使得在高马赫数下也能给出与数值模拟结果一致的扰动增长率.最后,该文以γ模型方程为基础,建立了多组份Euler方程的求解算法,进而研究了不同状态方程对R-M不稳定性的影响.大的γ能够抑制钉子结构的发展,并促进顶部卷起现象的发生.

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性数值模拟紧致格式 Atwood数

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冲击波波后辐射效应对richtmyer-meshkov不稳定性增长影响的实验研究

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物理学报 2021年第20期70卷 157-166页

作者：袁永腾涂绍勇尹传盛李纪伟戴振生杨正华侯立飞詹夏宇晏骥董云松蒲昱东邹士阳杨家敏缪文勇中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

辐射冲击波波后物质具有辐射属性,它通过扰动界面引起的richtmyer-meshkov(RM)不稳定性的增长有别于通常的冲击波.在高功率激光装置上开展冲击波波后辐射效应对界面不稳定性增长影响的实验研究,认识波后辐射对界面增长的影响过程及规律... 详细信息

辐射冲击波波后物质具有辐射属性,它通过扰动界面引起的richtmyer-meshkov(RM)不稳定性的增长有别于通常的冲击波.在高功率激光装置上开展冲击波波后辐射效应对界面不稳定性增长影响的实验研究,认识波后辐射对界面增长的影响过程及规律,有助于提高高能量密度条件下RM不稳定性演化规律的认识水平及预测能力.基于神光Ⅲ原型高功率激光装置,设计并开展了两种激光驱动条件下的界面流体力学不稳定性实验,研究波后辐射效应对界面RM不稳定性增长的影响.实验中在较高功率密度驱动条件下CHBr扰动样品未见明显的扰动增长,结合模拟分析发现较高功率密度条件下辐射前驱波波阵面和冲击波波阵面明显分离,辐射前驱波在冲击波到达扰动界面前烧蚀扰动界面,改变了界面的初始状态,界面不稳定性增长过程中密度梯度的增大和界面Atwood数的减小抑制了界面RM不稳定性的增长.

关键词：辐射冲击波 richtmyer-meshkov不稳定性密度梯度尺度烧蚀速度 Atwood数

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非理想流体中Rayleigh-Taylor和richtmyer-meshkov不稳定性气泡速度研究

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物理学报 2013年第14期62卷 324-332页

作者：霍新贺王立锋陶烨晟李英骏中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871

在随气泡顶端运动的坐标系中,通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况,研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor(RT)和richtmyer-meshkov(RM)不稳定性气泡速度的影响.首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程(自洽的微分方程... 详细信息

在随气泡顶端运动的坐标系中,通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况,研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor(RT)和richtmyer-meshkov(RM)不稳定性气泡速度的影响.首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程(自洽的微分方程组);其次给出了二维平面坐标和三维柱坐标中气泡速度的数值解和渐近解,并定量分析了流体黏性和表面张力对RT和RM气泡速度和振幅的影响.结果表明:从线性阶段到非线性阶段的全过程中,非理想流体中的气泡速度和振幅小于理想流体中的气泡速度和振幅.也就是说,流体黏性和表面张力对RT和RM不稳定性的发展都具有致稳作用.

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 richtmyer-meshkov不稳定性气泡速度非理想流体

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不同界面组分分布对richtmyer-meshkov不稳定性的影响

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物理学报 2023年第10期72卷 242-255页

作者：张升博张焕好陈志华郑纯南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094 南京理工大学机械工程学院南京210094

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的richtmyer-meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度... 详细信息

基于二维非定常Euler方程,对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的richtmyer-meshkov不稳定性现象进行了数值模拟,探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构,定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化.此外,结合流场压强、速度、环量和气体混合率,多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制,获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响.结果表明,随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡,界面两侧的声反射系数随之增大,使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射,反射激波逐渐加强,透射激波逐渐减弱,使得richtmyer-meshkov不稳定性随之增强;同时,界面两侧阿特伍德数的增大,加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展.此外,界面不稳定性的加强使得流场环量增大,导致气体混合率的增长速率随之升高.

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性间断界面扩散界面氦气柱激波

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richtmyer-meshkov不稳定性诱导的湍流混合

气动研究与试验

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气动研究与试验 2024年第4期2卷 1-25页

作者：周彰博丁举春罗喜胜中国科学技术大学工程科学学院安徽合肥230027

richtmyer-meshkov(RM)不稳定性及其诱导的湍流混合是惯性约束聚变、超声速燃烧、武器内爆等重大工程中的共性科学问题。已有研究主要关注RM不稳定性早期的扰动增长,揭示了斜压涡量和压力扰动是界面振幅增长的主要物理机制。近些年,随... 详细信息

richtmyer-meshkov(RM)不稳定性及其诱导的湍流混合是惯性约束聚变、超声速燃烧、武器内爆等重大工程中的共性科学问题。已有研究主要关注RM不稳定性早期的扰动增长,揭示了斜压涡量和压力扰动是界面振幅增长的主要物理机制。近些年,随着流场诊断技术与高性能计算的发展,RM不稳定性后期的湍流混合逐渐得到关注。本文系统回顾了近10年来关于RM湍流混合的研究进展,诠释了一些关键概念,阐明了湍流混合的机制,并详细介绍了扰动效应、阿特伍德(Atwood)数效应、马赫数效应、黏性效应、反射波系效应、几何效应以及维度效应等初始条件对RM湍流混合场的影响。最后,本文展望了未来RM湍流混合的实验与数值模拟的重点方向。

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性激波界面湍流转捩湍流混合

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单模态richtmyer-meshkov不稳定性数值模拟

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计算力学学报 2012年第1期29卷 118-123页

作者：王涛柏劲松李平中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900

采用VOF(Volume of Fluid)方法和PPM(Piecewise Parabolic Method)方法,发展了可用于可压缩多介质粘性流体动力学问题的数值模拟方法MVPPM(Multi-Viscous-Fluid Piecewise Parabolic Method)。利用MVPPM对多个具有不同初始扰动振幅的二维和三维单模态RM(richtmyer-meshkov)不稳定性模型进行了数值计算,并与理论模型的计算结果进行了比较。结果表明,无论二维还是三维情况,当初始扰动振幅相对于波长较小的时候,计算的扰动振幅和增长率与理论模型的计算结果一致。当初始扰动波长不变而振幅逐渐增大时,界面振幅和增长率也逐渐增大。对于具有相同初始扰动的情况,三维计算结果在线性段与二维计算结果相同,但是在非线性段比二维结果大,说明非线性和三维效应在RM不稳定性发展过程中起着重要作用。

关键词： VOF方法 PPM方法 MVPPM方法 richtmyer-meshkov不稳定性

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烧蚀材料对辐射烧蚀驱动的richtmyer-meshkov不稳定性影响

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国防科技大学学报 2017年第2期39卷 171-177页

作者：徐彬彬汤文辉马燕云杨晓虎葛哲屹赵媛国防科技大学理学院湖南长沙410073

在惯性约束聚变靶丸内爆过程中,辐射烧蚀所产生的冲击波经过带有扰动的界面时,会触发richtmyer-meshkov不稳定性。惯性约束聚变内爆靶丸一般使用掺杂的CH塑料或者掺杂的Be材料作为烧蚀层,为了探索Be和CH塑料烧蚀层对richtmyer-meshkov... 详细信息

在惯性约束聚变靶丸内爆过程中,辐射烧蚀所产生的冲击波经过带有扰动的界面时,会触发richtmyer-meshkov不稳定性。惯性约束聚变内爆靶丸一般使用掺杂的CH塑料或者掺杂的Be材料作为烧蚀层,为了探索Be和CH塑料烧蚀层对richtmyer-meshkov不稳定性抵抗能力,对界面预制单模正弦扰动的双层靶中richtmyer-meshkov不稳定性发展过程进行了理论分析与数值模拟。理论分析认为richtmyer-meshkov不稳定性线性增长率和X射线辐射温度、界面扰动波长、扰动振幅以及烧蚀层密度有较大关系。使用辐射流体力学程序对辐射温度高达100 eV的黑体谱X射线烧蚀界面带有扰动的双层靶进行了模拟。模拟结果表明,在相同的辐射烧蚀条件下,CH塑料/泡沫(CH/Foam)靶界面扰动增长比Be/Foam快,密度较大的Be对richtmyer-meshkov不稳定性具有更强的抵抗能力。该研究结果对惯性约束聚变内爆靶丸的设计具有重要的参考价值。

关键词： richtmyer-meshkov不稳定性辐射流体力学界面扰动烧蚀冲击波

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任意Atwood数Rayleigh-Taylor和richtmyer-meshkov不稳定性气泡速度研究

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物理学报 2012年第7期61卷 314-320页

作者：陶烨晟王立锋叶文华张广财张建成李英骏中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871 北京林业大学北京100083

本文将Layzer气泡模型推广到任意界面Atwood数情形,得到了自洽的微分方程组.该模型描述了气泡从早期的指数增长阶段到气泡以渐近速度上升的非线性阶段的发展过程,给出了Rayleigh-Taylor(RT)和richtmyer-meshkov(RM)不稳定性的二维和三... 详细信息

本文将Layzer气泡模型推广到任意界面Atwood数情形,得到了自洽的微分方程组.该模型描述了气泡从早期的指数增长阶段到气泡以渐近速度上升的非线性阶段的发展过程,给出了Rayleigh-Taylor(RT)和richtmyer-meshkov(RM)不稳定性的二维和三维气泡速度渐近解,还求出了二维和三维RT不稳定性气泡顶点附近速度的解析解.

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 richtmyer-meshkov不稳定性 Atwood数非线性

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