激波冲击“V”形界面的不稳定性与湍流混合研究

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本文基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控(MDCD)的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击“V”形空气/SF6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)问题。通过分析数值结果,研究该物理过程,探究不稳定性发展的机理和物质混合的过程,并总结了一些现象和规律。激波冲击“V”形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构,同时界面扰动发展形成“气泡”和“尖钉”结构。通过将数值密度纹影图与实验纹影图对比,分析前期的界面演化过程。统计了界面前端的运动规律以及界面混合宽度随时间的变化规律,并与已有的实验结果进行了对比,两者符合较好。旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时涡结构之间开始发生相互诱导,并对等现象,并逐渐聚集在几个区域,而多尺度结构也因旋涡的诱导作用在这些区域中产生。利用湍动能能谱对该过程进行了细致的分析。湍动能能谱的结果与旋涡的分布一致,随着区域中小尺度涡结构的并对,湍动能能谱不断向高波数段传递,表明了小尺度结构的出现。旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展,随后涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用。旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生。旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显的加剧物质混合。本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,定量分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响。由于惯性区间具有不同尺度雷诺数的上下边界,当雷诺数足够大时将出现尺度无关的惯性区间,流场将发生混合转捩。动能能谱图中-5/3次方对数率的出现,同样表明惯性区间开始形成,流场将发展为湍流混合的状态。在此基础是上,分析了界面流动结构向湍流混合状态发展的趋势,并对能量传递过程进行了细致分析。
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