激波与连续型流体界面相互作用的研究

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 激波与界面的相互作用是武器物理中广泛存在的现象。发展易于实现且安全可靠的激波与界面相互作用的实验对于理解这类流体动力学过程，以及校验相关的流体动力学程序都具有重要的意义。激波管装置中实现的激波与连续型流体界面相互作用实验就是其中的一类典型实验且这类实验是一种典型的含预混层的界面演化及混合实验。洛斯阿拉莫斯实验室武器物理部主任Juzaitis曾指出：“这类雅致而精确的小实验(指激波与连续型流体界面相互作用实验)，有助于我们理解流体动力学不稳定性这一核武器性能中具有重要意义的物理过程，是一个利用实验数据校核武器计算程序的极好范例。”

本项研究采用高精度的粒子图像测速(PIV)技术，研究了激波与不同长短轴比率的椭圆形气体界面的相互作用，从实验上直观再现了斜压机制对界面不稳定性演化的主导作用，修正了现有理论模型，较好地预测了界面的演化过程。针对实际应用中的复杂界面往往耦合界面之间的相互作用，我们开展了激波与双椭圆形气体界面相互作用的研究，获得了界面相互作用对连续型流体界面演化的影响规律，为主动控制界面不稳定性的演化及其诱导的物质混合提供了有益参考。

1  界面不稳定性的演化获得新的机理性认识

在激波管装置中采用层流射流的方法生成了不同长短轴比率的椭圆气柱，激波冲击后0.6 ms时刻的PIV图像如图1所示。结果表明，随着气柱长短轴比率a/b的增加，界面的演化加快，直观再现了二维涡量动力学方程中斜压机制的预测，即界面沉积的斜压涡量随着长短轴比率的增加而增加。对Rudinger和Somers的涡对理论模型进行了修正，预测的涡对速度与PIV实验结果吻合较好，如图2所示。实验所得环量数据校验了理想点涡对模型在预测环量上的可靠性，如表1所示。

2  获得了界面相互作用对界面演化的影响规律

在激波管装置中采用层流射流的方法生成了不同初始中心间距η的双椭圆气柱界面，运用PIV技术定量表征了界面在激波作用后的速度场、涡量场和环量等定量数据，发现界面相互作用较弱时(η较大)，双椭圆气柱的演化由两对涡对结构主导[见图3(a)和(b)]，内涡弱于外涡，且随着中心间距的减小内涡的弱化愈加显著[见图4(b)]；界面相互作用较强时(η较小)，双椭圆气柱演化模式发生转变，内涡消失，只由一对涡对结构主导[见图3(c)和(d)]，外涡随中心间距的减小而增强[见图4(b)]。研究表明，界面相互作用导致双椭圆气柱的演化行为显著区别于单椭圆气柱的演化行为，其中典型的特征是内涡的削弱及涡对结构的旋转运动。