液-液斜界面Rayleigh-Taylor不稳定性粘性效应的实验研究

论文摘要

Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性作为流体力学的普遍现象,它是指当轻流体受到持续加速度作用向重流体加速时,由于流体界面处压力密度与密度梯度不重合,即?p??（27）0,界面处的随机扰动振幅会随时间的发展经历线性阶段、非线性阶段后最终达到湍流混合的过程。Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性是非均匀密度界面存在速度差形成剪切力诱导的一种界面不稳定性。一种或多种界面不稳定性耦合问题不仅在揭示界面失稳物理机制上有重要的理论价值,更在发动机内燃室等工程应用有重要价值,还在超新星爆发等天体动力学中有着重要应用。近年来在惯性约束核聚变如何实现内爆点火的大背景驱动下,一直受到广泛研究学者的关注。斜压效应作为诱导产生界面不稳定性的重要因素之一,如何分析斜压效应对RT稳定性诱导的界面失稳现象的影响规律是界面不稳定性中的经典问题。RT不稳定性与KH不稳定性耦合效应在界面演化的是相互竞争的关系还是相互促进的问题也深受学者们的困扰。流体的粘性作为流体重要的物性参数,与表面张力一样,一直被认为是抑制界面不稳定发展的物理量,但是粘性在诱导机制上是否与其他物理量相同,这样的讨论只出现了理论与数值模拟研究,关于这方面的实验研究支持较少。因此针对以上观点进行了以下研究工作:（1）通过改变高压段的压强,获得了两种不同大小的驱动加速度。利用高速纹影法对不同加速度下界面失稳演化规律进行了实验观测,大量实验结果表明在不同加速度下,混合区扰动增长规律差异明显。定义了混合区参数,定量分析了混合区宽度、角度随时间的演化关系。结果表明,同种加载加速度下,界面初始倾角只在演化后期影响着混合区宽度的发展。当界面倾斜时,混合区宽度不再增长时,混合区角度依旧处于增长状态。（2）在初始界面倾角为5°的条件下,通过使用不同粘性的轻流体,获得了三种不同粘性系数比的流体组合,改变重流体碘化钾溶液的质量分数,使得Atwood数均为0.169。大量的实验结果发现粘性的增加会抑制初始扰动振幅的数目与振幅的发展,在流体粘性系数比为最大值时,演化后期,混合区表面变得更加光滑,这与国内外同行发现的气泡合并理论一致。在其他初始条件都相同的条件下,只增加了界面初始倾角角度以研究不同的斜压项与RT不稳定诱导界面失稳的相互作用。同样利用高速纹影法对流场进行观测,为保证实验的准确性进行大量重复实验,得到流场发展图像。结果表明流体处于同种粘性比时,混合区扰动振幅增长趋势大致相同,混合区结构的发展方式也渐近一致。初始界面倾角增大,由于壁面的约束作用,混合区发生翻转的趋势增大,界面发生倾覆现象。（3）对实验中出现的变量进行了无量纲处理,发现混合区宽度与角度的增长规律,对混合区宽度增长进行拟合,发现了混合区增长速率与粘性比、初始界面倾角的关系。对混合区角度增长方式进行统计处理,得出了混合区角度随演化位移呈渐近线性关系。（4）利用片光技术搭建了PIV-PLIF同步测量技术,实验研究了流场中心界面流场内不同时刻处的速度-浓度分布,获得了流体粒子运动图与荧光图。利用Matlab编程语言对场内信息进行分析,得到了密度分布图等相关信息。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 江荣宝

导师: 施红辉,邹立勇,毛汉忠

关键词: 界面不稳定性,惯性约束核聚变内爆点火,斜压效应,粘性效应,高速纹影法,同步测量技术

来源: 浙江理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 浙江理工大学

分类号: O35

总页数: 77

文件大小: 3175K

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