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深度解讀

中國(guó)科大在激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究中取得系列進(jìn)展

星之球激光 來(lái)源:中科院2015-11-10 我要評(píng)論(0 )   

  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室特任副教授司廷、特任副研究員翟志剛和教授羅喜勝等在激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究方面取得系列新進(jìn)展,在國(guó)際上首次獲得了匯聚...


  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室特任副教授司廷、特任副研究員翟志剛和教授羅喜勝等在激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究方面取得系列新進(jìn)展,在國(guó)際上首次獲得了匯聚激波沖擊下多模界面的演變圖像,揭示了界面失穩(wěn)和復(fù)雜波系發(fā)展規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制,近期多項(xiàng)研究成果連續(xù)發(fā)表在J. Fluid Mech. 和Phys. Fluids 上。
  激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性是一種十分復(fù)雜的多尺度強(qiáng)非線(xiàn)性物理問(wèn)題,是可壓縮湍流機(jī)理研究的一個(gè)主要方向,也是高能量密度物理研究的一個(gè)重要內(nèi)容,在天體物理、慣性約束聚變(ICF)清潔能源、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、國(guó)防尖端武器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景和研究?jī)r(jià)值。實(shí)驗(yàn)研究中,激光慣性約束聚變、電磁套筒內(nèi)爆、炸藥驅(qū)動(dòng)金屬材料等方法耗資巨大、周期較長(zhǎng)、診斷困難,難以大量開(kāi)展。因此,在實(shí)驗(yàn)室條件下,激波管中的激波加載流體界面實(shí)驗(yàn)成為重要研究方法。由于匯聚激波能產(chǎn)生高溫高壓,更切合工程應(yīng)用實(shí)際,國(guó)際研究熱點(diǎn)都集中在匯聚激波與界面的相互作用上。
  據(jù)羅喜勝介紹,在激波管中開(kāi)展激波與界面相互作用的實(shí)驗(yàn)研究需要解決三大難題,即匯聚激波的產(chǎn)生、完美可控界面的形成和精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。通過(guò)長(zhǎng)期攻關(guān),研究團(tuán)隊(duì)突破了“匯聚激波的產(chǎn)生”和“可控界面的形成”兩大關(guān)鍵技術(shù),率先設(shè)計(jì)并建成了楔形匯聚激波管(Phys. Fluids, 2010, 22: 041701; Phys. Fluids, 2012, 24: 026101; Rev. Sci. Instrum. 2014, 85: 015107)和半圓形匯聚激波管(Phys. Fluids, 2015, 27: 091702),開(kāi)發(fā)了新型復(fù)雜界面生成技術(shù)(J. Fluid Mech. 2014, 757: 800-816; J. Fluid Mech. 2015, 773: 366-394),利用先進(jìn)的流場(chǎng)診斷方法,在國(guó)際上首次獲得了匯聚激波沖擊下多模界面的演變發(fā)展規(guī)律和機(jī)制(J. Fluid Mech. 2015, 784: 225-251)。
  在一個(gè)匯聚激波管中,光滑圓弧形激波與初始?xì)怏w界面相互作用,產(chǎn)生反射激波和透射激波,界面上任何初始擾動(dòng)都會(huì)因失穩(wěn)而增長(zhǎng)。司廷介紹說(shuō),匯聚激波誘導(dǎo)下的界面不穩(wěn)定性發(fā)展與平面激波有較大差異。研究表明,透過(guò)界面的匯聚激波到達(dá)聚焦點(diǎn)產(chǎn)生局部高壓高能量密度區(qū)域,之后又迅速反射并與界面再次作用,使界面運(yùn)動(dòng)發(fā)生反轉(zhuǎn),在流場(chǎng)中產(chǎn)生非常復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)。在整個(gè)過(guò)程中,激波強(qiáng)度不斷發(fā)生變化,流場(chǎng)中壓力擾動(dòng)和渦量分布促使界面運(yùn)動(dòng)速度以及擾動(dòng)增長(zhǎng)率都隨時(shí)間變化。因此,匯聚激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性一方面將破壞激波向氣體動(dòng)力學(xué)焦點(diǎn)匯聚的對(duì)稱(chēng)性和均勻性,另一方面將促進(jìn)不同流體之間的混合。研究獲得的擾動(dòng)發(fā)展定量演化規(guī)律以及內(nèi)在機(jī)理,能夠?yàn)橄嚓P(guān)數(shù)值模擬程序和理論提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)和圖像,也可為實(shí)際應(yīng)用如ICF的靶丸設(shè)計(jì)、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)等提供可靠的理論指導(dǎo)。
  上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。
  
匯聚激波沖擊多模界面(左)和單模界面(右)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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激光激波誘導(dǎo)界面不穩(wěn)定性
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