Взаимодействие ударной волны с синусоидальным контактным разрывом при переходе из легкого газа в тяжелый тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ6 од

' 1 0 Наосковскя госуаярственная ынмверситет

яяени О.боаоносооа ОяэачгскяЛ факультет

На правах рдаспясн УДК 533.8.911.7?

ялезнн алексея нпхоялевцч

взйязодеястзйе «дпряоя вошш с синзсс:шплыш копт«ктнаа разрывом при переходе из лггзого

ГАЗА В ТЯ1ЕАШ}

Спгцзальность - 01.04.14 - тзааэ$язака я зо5скдяяряая фязяяа

ПЯТОРЕОЕРПТ

диссертация яэ соискание ичспой гтепеии кандидата омзйкэ-нате*атическпя над?:

Москза - 1993

Работа выполнена в Научно-исследовательском Энергетическом институте имени Г.Н.Кржижановского (ЗНИН).

Научный руководитель: ведучий научный сотрудник, доктор технических наук ЗАЙЦЕВ С.Г.

Официальные оппоненты: главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук ГВОЗДЕВА Л.Г.

старший научный сотрудник доктор физико-математических наук ИЙОГАМОВ 11.А.

Ведущая организация: Физико-Технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН

^Запита диссертации состоится 1993 года

В;•„_ часов на заседании Специализированного Совета N1 (К.053.05.17) Отделения экспериментальной и теоретической физики физического факультета МГУ имени К.В.Ломоносова.

Адрес: 119899 ГСП,^Москва, Ленинские горн, МГУ, физический факультет, аудитория —РлШ-----

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГЦ. ; ,

Автореферат разослан г.

' V ( -■ '' ' *

• I • ^ .

V. • 1 : 111

Ученый секретарь Специализированного ''

Совета Н1 (К.053.05.17) ОЗТФ, -__

кандидат физико-математических наук Л.С.1теменко

ПМЫ ЗНИНа. Дбъем I п.л. Заказ 848. Тира» 100 зкз. Москва, Ленинский проспект« 19.

ЯДК 532.517.4

- 3 -

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТНАПЬНОСТЬ ТЕНЦ

Проблема гидродинамической неустойчивости области контакта разноплотных сред, движущихся ускоренно, является одной из важ--нейаих, стоячих на пути реализации лазерного термоядерного синтеза. Неустойчивости, развивавшиеся на границах, отделавших* плазменную короку от абляционного слоя оболочки иикени и оболочку от горячего, могут изменить процесс сжатия и необходимые параметры не будут достигнуты. Адекватное описание рассматриваемого процесса - чрезвычайно -сложная задача. Ее решение возможно при условии комплексного использования теоретических исследований; численного моделирования и экспериментальных результатов.

Для разработки моделей этого процесса, необходимых при создания оптимальных конструкций миаени и определения минимальной энергии лазера, в настоящее время широко используется эксперименты на ударных трубах. Эти установки позволяет получать количественно информации о характеристиках процесса, необходима для построения адекватных моделей. ,

Настоящая работа посвяцена исследовании развития гидродинамической неустойчивости в области контакта разноплотных сред, испытывавшей импульсное ускорение в результате взаимодействия с ударной волной - неустойчивость Рнхтмайера-Уежкова (ПРИ).

Перед диссертантом стояла задача - дать физическое преде- ■ тавленке о процессе в целом, провести поэтапное исследование от •лачала взаимодействия ударной волны с возмущенной границей раздела вплоть до турбулентного состояния.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Проведено исследование перехода ударной волны из легкого газа в тяжелый. Впервые предлохена Физическая модель и дана пол-

пая картина развития процесса от момента взаимодействия ударной волки с возкуценнов границей раздела до перехода ее в турбулентное состояние.

Работа вклЕчает в себя более вмрокув область параметров взамиодействяя по числу Маха падающей ударной волны, числу Атву-да н начальной кривизне контактного разрыва, чем это било осуществлено в предвествувщих исследованиях, благодаря этому било обнарувено существование новых режимов зволвции HPU. которые позволили внести существенные корректней в прогноз о влиянии HPK на эффективность пореиевивания.

Впервые показано, что определявши* процессом в развитии неустойчивости является дифракция ударной волны на возмущенной границе раздела. Характер дифракции определяет дальнейвий путь развития неустойчивости: "регулярно" мягкий, "регулярно" весткий н "нервгулярш»а".Предловен подход, который позволяет заранее предсказать путь развития неустойчивости. Получены количественные характеристики процесса.

В диссертационной работе проведена апробация расчетной схемы, разработанной в КЭТИ, позволявшей моделировать процесс, и подтверждена ее результативность.

В работе найдены параметры, ответственные за сннвенпе величию* внедрения одной среды в дригуп. Уиекьвенне величина внедрения позволяет повысить КПД ыивений, для АТС.

ПРАКТИЧЕСКйй ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Представленные к зааите результаты имеет больвое научное значение для развития теории турбулентного персмевивания. Они давт количественнув информацию о механизме начальной падии развития неустойчивости на границе раздела двух разноплотных сред и возбуждения турбулентности, позволяет внести корректировку в модели. используемые длр расчетов процессов сватия мивеней лазерного термоядерного синтеза.

Работа проводилась в рамках Государственной программы "Зп-

расллеиий тзрмояперкнй с;к?тез и плазменное процессы", Госзаказ И32?. Работа получила подддеряку от Российского Фонда Фундаментальных исслоаоваий в 1392 году.

Иастояиая работа выполнена в Энергптнчесг.см институте им.Г.Н.Кркияановского под руководством д.т.н. Зайцева С.Г.. .

АВТОР ЗАЩЩАЕТ:

1. Разработана конструкция и создана экспериментальная установка, предназначенная для количественного исследования неустойчивости Рихтмайера-Иевкова в «проком диапозомп от-шеиия плотностйй контактирующих газов, интенсивиостей падающих ударных волн и различных форм исходного контактного разрыва.

2. В результате экспериментальных и численных исследований предловена физическая модель развития неустойчивости Рихтнай-лра-Невкова и показана определявшая роль дифракции ударний полны в этом процессе. Определены границы различных ревимов эволвщ»'. ИГУ ("регулярного какого", "регулярного жесткого" и "нерегулярного" ренинов). Получены количественные характеристики развития неустойчивости ПРИ для 1.6 ф/д < 33 и 0.4 «?к < С.О -плотности газов, СС* - величина амплитуды возмущения в момент выхода ударной волны, А - волновое число).

3. Определено влияние-эволюции ПРИ на затухание вознуаекий на фронте преломленной ударной волны. Определена интенсивность затухания возмущений на фронте ударной волны в заш1с;.мост1= от стиозе:!Пя плотности на контактной поверхности.

ППРОБЙЦИЯ РПБОТИ

Результаты диссертационной работы сбсукдалясь на ряде мег-дународнах и отечественных конференций, среди которых следует упомянуть:

1. Ежегодные Звенигородские Всесопзные конференции по Физике плазмы я управляемому термоядерному синтезу с 1935 по 1991 г.

2. 2-ое и 3-е Всесоюзное совещание по Гидродинамической неустойчивости Рэлея-Тэйлора (Черноголовка, сентябрь, 1986г., Ка-бардмно-Болкарскнй Университет, апрель, 1988г.)

3. 18-я и 19-я Европейская конференция по Взаимодействии лазерного излучения с веществом (ЭШМ), (Прага, май, 1987г; Мадрид, октябрь, 1988г.)

4. 3-я и 4-я Международная конференция по Физике турбулентного перемешивания свимаемих сред (Франция, июнь 1991г.; Англия, апрель, 1993г.)

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце данного реферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ «ДИССЕРТАЦИИ

Работа состоит из четырех глав, ваедения, выводов, списка используемых источников и приложения; всего страниц 116 , из них рисунков - 39 , 1 таблица. Список литературы состоит из 35 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отрашш актуальность тема, научная новизна и практическая ценность, обоснован выбор объекта и сформирована цель исследований.

В первой главе дан литературный обзор. Существующие экспериментальные работу разбиты на три группы. К первой относятся работы, в которых исследуются нач»лышс стадии развития неустойчивости на границе со скачкообразный изиенением плотности, ко второй - с непрерывным. К третьей гру»*.е относятся работы, в которцх исследуется граница раздела, находящаяся в турбулентном состояь-ии. Показано, что число экспериментальная работ немногочисленно и отсутствует физическое представление о процессе в це-

лом, г.ет псзтапного исследования от начала взаии .действия ударной волна с возмущенной границей раздела вплоть ц~> турбулентного со~точт:я.

Вторая глава посвящена описании экспериментальной установки,. созданной на базе ударной трубн. Дано описакпо разработанных . специальных секций для установки в ударну» трдйу рамки с тонкой планкой, разделяющей каперу низкого давления на части,запол-. няеине различными газами^ нЗ . Изолированнопь объемов друг от.друга контролировалась. Конструкция секций для установки пленок в канал предусматривала придание за формы близкой к синусоидальной с аипялТудами до 1 си и длинами волн Я г С7.2/1Зсм. где 1=1,2,,..,8. Под амплитудой понимается величина максимального проникновения одного газа в другой. В направлении распространения визуализир^пщего луча пленка не иеняла свою форму,то есть исзкуцения были двумерными. В работе использовались такге пленки плоской форяц. Конструкция камер низкого давления позволяла ус-теназливеть секции с пленкой па различных расстояниях от камеры с оптическими стеклами.Область, доступная для визуализации, имела протяяенность (5<х <300 )мм. что позволило проследить за зво-ляцйе(\ контактного разрыва вплоть до перехода к турбулентному состоянии. .

Визуализация процесса осуществлялась прибором 1ШБ-15! с использованием вллрен-иетода с помощыэ непрерывной и покадровой регистрации процесса. В первом случае использовался • импульсный источник света с длитеЛьностьв свечения до 500 мкс, регистрируемые теплерограмкы давали х,Ь -диаграммы процесса. Покадровая съемка осуществлялась руби;;оыж лазером в режиме модулированной добротности с длительностью экспозиции кадра около ОЛмкс. час-

5

тота ;'.х следования менялась в диапазоне (80+120 МО кадров в секунду. Процесс регистрировался на пленку камеры 20Р-3. На ударной трубе размещались контактные датчики давления, используемые для измерения скорости ударной волны. В качестве рабочих газов применялись инертные газы -гелий, аргон, криптон, ксенон. Это

позволило провести исследования в диапазоне чисел Атвуда, изменявшихся от 0.095 до 0.91, при этой падакцэя ударная волн« переходила из легкого газа в тяжелый. В зтеи случае отраженная волна является ударной.

В рзооте проведай расчет процесса взаимодействия ударной волна с плоским контактный разрывом. Из уравнений сохранения па ударных разрывах определялись параметры волн и изток;в за ними. В расчете влияние пленки ни учитывалось. При проведении экспериментов начальное давление в камере низкого давления било выбрано равнуч 0.5 аты, число Маха падаищих ударных волн 3.5. При этих параметрах экспериигнтальмзя x,t - диаграмма в пределах по-греаности эксперимента ЪУ. совпадает с -расчетной, Толспаа нсполь-зчеаой лавсановцй пленки 2 ик'л.

В третьей главе рассмотрело озаилодействие плоского ''.^д^но-гс Фронта с контактным разркзои заданной Формы при переходе ударной волны из»легкого газа в тяжелый. Переход волна через синусоидальный контактный разрыяыв {СКР) приводит к росту амплитуды возмущение. Скорость роста амплитуды СКР {скорость проникновения одного газа в другой) убывает в процессе эволюции и достигает своего минимального значения на заключительной турбулентной стадии.Характер эволвции и скорость внедрэния одного га-:.-а в другой определяется процессами дифракции ударной золнц на контактной разрыве к последующего выползгшвашш искаженных преломленной и отраженной ударных волн.

Исследование перехода волны из легкого газа в тяжелый через синусоидальный контактный разрыв и последующая эволюция СКР производилась цак экспериментально, так и численно. Численное моделирование осуществлялась на коьпьвтере типа АТ386/387 с быстродействием 1.5 Ифлоп и операционной системой Xenix по методике любезно предоставленной В.В.Демченко / / (Московский Физико-Технический Институт г. Долгопрудный), а гакко по оригинальный программам.

В первых теоретических и экспериментальных работах, поевп-

ценных данной проблеме, авторы ограничивались рассмотрением случая малой кривизны исходногсг СКР «1, где А -2*?/ А ). Взаимодействие плоского ударного фронта с синусоидальным контактным разрывом при переходе из легкого газа в гяяелнй приводит к образованно преломленной (распространявшейся и тяаелом гаче) к отраженной (распространяющейся в легком газе) ударных волн (рис. 1). При этом форма отраженной ( Soa ) и преломленной i $и6 ) волн в первой приближение подобны форме исходного контактного разрыва /fe. Движение преломленной и отраженной ударных волн сопрс-воидается формированием областей с пониженным и повнчоннни давлением, а следовательно Формированием градиентов давления на контактной поверхности /Си. что приводит к росту амплптдды СИР и выпояаяиванив ударных волн Sim и Si»6 (рис.1).

В настоящей работе проведено исследование HPU в диапазон? 0.4< ajk <8 и основное внимание уделялось особенностям развития НРН при бользих значениях кривизны исходного СКР.

В третьей главе раснотрены основные типы дифракции, Показано, что наблпдаеиое разнообразие газодинамических картин процег-са на начальной стадии развития НРЗ нельзя объяснить просто количественным различием в начальных условиях. Различие вызвано теа. что в каждом отдельном случае осуществляется свой тип дифракции плоской ударной волн» на синусоидальное контактно» разрыве. На рис.2 дайн возможные типа дифракции, возникавшие при наклонном падении плоской ударной волна на плоский контакты;] разрыв, разделявший воздух и углекислый газ. В зависимости от угла наклона можно выделить две группа конфигураций ударный волн, возникавших при дифракции - "регулярные" й "нерегулярные". В настоящей работе проведено численное исследование дифракции плоской ударной волны на наклонной, контактной поверхности. Hps' этом варьировалось число Маха йе« падавшей ударной волны ^ею . угол сС аежду контактной по.-ерхностьэ /Го и поправлением распространения ударной волны Sem , число Атвуаа на контактной поверхности. На рис.3 показаны зоны в координатах Cigfa,c{. ) для 3*

двух комбинаций Не-Хе (Д=0.91) и Кг-Хе (А=0,182>, соответствующие различным волновым диаграммам, приведенным па рис.2.

Взаимодействие плоской ударной волаы с синусоидальным контактным разрывом характеризуется непрерывным изменением углаоС между контактной поверхностьв и направлением распространения ударное волны. В начале наблюдается падение угла оС от 90° до оС*}* . а потом возрастание от оСт1„ до 90°. Такое измениеугла оС моют сопровождаться задержкой в формировании соответст«умей данному углу волновой диаграммы. Однако процесс дифракции плоской ударной волны на СКР можно разделить на два участка. Первый соответствует начальной и конечной стадиям взаимодействия ударной волны и СКР. то есть, когда оС близко к 90*. На этом участке можно считать, что £ца нормально падает на контактный разрыв. Второй участок соответствует центральной части возмущения, где изменение угла оС мало и можно пренебречь нестационарностьп процесса дифракции. Таким образом тип дифракции плоской ударной волны на синусоидальном контактном разрыве для различных аЛ, •А , М«лз будет определяться дифракцией на центральном участке возмуцения. Следуя ранее введенной терминалогии для типов дифракции, все режимы дифракции, имеющие место при взаимодействии ударной волны с СКР. можно разделить на две группы: "регулярный" режим - на центральном участке возмуцения осуществляется регулярный режим дифракции, и "нерегулярный" - на центральном участке возмуцения формируется "нерегулярная" конфигурация (например иа-хавская).

При "регулярном" режиме дифракции давление на контактной поверхности практически не зависит от угла оС (изменение давления от оС не более 7% ) и соответствует давденив, получаемому при нормальной падении ударной волны на контакннй разрыв. В то время как для "нерегулярных" режимов дифракции наблюдается значительное. уменьшение давления с уменьшением сС . В работе показано, что в случае осуществления "регулярного" режима дифракции получаем две искаженных ударных водна, между которыми располага-

ется достаточно однородная по давлении область с контактный разрывом. Так как исследуемые ударные волны находятся в зоне устойчивости. та, следовательно, они будут в процессе своего двнщения по потоку стремиться выполовиться. При этом формируется область повывенного давления там. где ударная волна является сходящейся, и поннвеииого давления там, где волна расходящаяся. Формирование и последующая разгрузка областей повышенного давления ногет идти двумя способами: первый - с поыощьв вторичных ударных волн, распространявшихся поперек потока, и. следовательно, с формированием изломов и тройшг.ч конфигураций на преломленной и отращенной ударных волнах: втерей - без формирования вторичных газодинамических разрывов. Первый способ развития неустойчивости Рихтмайера-Меяьова бил назван "регулярно яееткии" режимом: второй "регулярно мягким".

"Регулярно мягкий" регнм характеризуется отсутствием газодинамических разрывов и непрернвностьп параметре?: в потоке меядц ударными волнгии и контактным разрывом. На ерчнтах преломленной и отраяенной уззриих волн не наблюдается изломов. Скорость внедрения одного гаэи- в другой на на'?5лыюй стадии развития ПРИ постоянна и определяется соотнесением, пргдлояенным Рихтмайером:

с/С

где а" - сяа.'ая амплитуда возмущения контакной по-зерхности: и - скорость потока после дифракции (предполагается, что изначально контактная поверхность покоится ). Следует отметить, что на начальной стадии рост возмущения происходит симметрично вплоть до значения амплитуды Я'~(0,3-0,4 )Я.. На этом заканчивается начальная линейная стадия. Дальнейаий рост возмущенна приводит к исгаяенив исходной формы СКР и асимметричному проникновенно одного газа в яругой. На этой нелинейной стадии тяжелый газ проникает в легкий в виде сухаищихся "струй", а легкчй в тя-яелый в виде "пузырей", при чем скорость роста струй соответст-

вдет (1), а скорость роста пузырей значительно меньше этого значения. При достижении амплитудой возмущения величины ¿Z<~(0,7-1)A -заканчивается нелинейная стадия и наступает переходная. На концах струй возникает вихревые грибообразные структуры, рост которых в дальнейшем приводит к турбулнзации слоя, разделявшего два газа. Переход к турбулентной стадии наступает при достижении амплитудой возмущения величины 1.5-2)Л . Подобная картина развития процесса считается классической и возникает При УСЛОВИИ cÜt« 1 ИЛИ ПРИ а.А КОН£ЧНОИ,ПО Л0.

"Регулярный жесткий'режи* характеризуется образованием вторичных ударных волн в областях между преломленной и отраженной ударными волнами. В результате дифракции формируется сильно искаженные преломленная и отраженная ударные золны и. как следствие этого, формируется потоки газа поперек канала: к точке X (рис.1) стекается-поток "тяжелого" газа, а к точке Н поток "легкого" газа. & результате торможения этих потоков формируется области повыаениого давления. Интенсивность поперечных потоков значительна, разгрузка областей повышенного давления в ?очк» К "тяжелого" газа и в точке N "легкого" газа сопровождается формированием вторичных ударных волн, распространявшихся поперек потока., Время, необходимое для формирования вторичных ударных волн, обратно пропорционально скорости звука в тазе. В результате при конечных значениях числа Йтвуда Jf >Ь.Ъ будет наблюдаться значительное различие во времени формирования вторичных ударных волн справа и слева от Ktt , что приводит к искаженна формы контактного разрыва. Например, время необходимое для формирования вторичной ударной волны в Не~4мкс, а в Хе~22мкс (Н=2.5, Д= 36мм, <Хо- Юмм ). Формирование вторичных ударных, волн в точках И и Н выступает как фактор разгрузки в этих точках и ограничивает рост давления в них. Это приводит к тому, что амплитуда возмущений на контактной поверхности растет медленней, чем это следует из (1). При этом проникновение одного газа в другой происходит несимметрично уже в процессе дифракции: "тяжелый" газ проникает в "лег-

кий" с поисщьв струй глубке и с болыей скоростью, чек легкий в тяжелый. Таким образом, развитие возмущений на контактной поверхности при "регулярно местком" режиме происходит так, что лмг нейной стадии в "классическом" понимании не существует и после процесса дифракции наступает нелинейная стадия с ее более мед-ленник развитием процесса.

На рис.4 в переменных (Л ,ОГ.^)представлены зоны соответс-твувщие различным режимам.Зона под линией 1 соответствует "регулярному мягкому" режиму, зона над линией 2 - "нерегулярному режиму".Между ними находится зона"регулярного жесткого" режима. Линия 2 проведена иа основании исследования процесса дифракции. Теоретическое исследование процесса формирования вторичной ударной волны позволило свести задачу к однопараметрической. в которой параметром, определяющим формирование вторичной ударной волны, является отношение максимальной поперечной составлявшей скорости потока за ударной волной к скорости звука в газе. Если VI/С > у (где С -скорость звука в '.газе за ударной волной), то вторичная ударная волна будет формироваться. Сопоставление с экспериментом дало, что ^ г0,2.

При "нерегулярном" режиме дифракции уже в ходе собственно дифракции формируется неоднородное поле давления. Б точке М волна »5ем нормально падает на контактный разрыв, а на участке между М и Н дифракция ударной волны носит нерегулярный характер, в результате здесь создается давление примерно в два раза мень-же. чем при нормальном падении. Следует отметить, что отразивжа-яся от точки И ударная волна имеет цилнндрическув форму. Так как расстояние между соседними точками М порядка а0, то взаимодействие двух отразившихся от соседних точек И ударных волн произойдет до окончания собственно процесса дифракции. Поэтому при нерегулярном режиме дифракции нельзя говорить об искаженной отраженной ударной волне.Отраженная ударная волна представляет собой пару слабых ударных волн,движущихся друг за другом.

Соверженно другая ситуация возникает на преломленной удар-

ной волне. Преломленйая ударная волна искажена, интенсивность поперечного потока "тяжелого" газа к точке М очень велика. В результате этого возникает сильная вторичная ударная волна (например: для Не - Хе. Д ^8 км. а« = 10 им число Иэха вторичной волнн И-2,2 при числе Наха преломленной ударной волны М<7/=3,6), что приводит к значительному подъему давления (до 6 раз) в малой окрестности точки И в "тяжели" газе. Такой подъем давления на кончике стрни "тяжелого" газа приводит к ее взрыву, и, как следствие, к формированию вихревой структуры, соответствующей переходной стадии, уже в процессе дифракции. Таким образок можно говорить, что линейной и нелинейное стадии развития неустойчивости Рихтмайера-Мевкова при нерегулярном режиме" дифракции не наблюдается.

Дальнейжее взаимодействие между собой вихревых структур приводит к турбулизации потока в районе контактного разрыва и к резкому уменьжению скорости проникновения одного газа в другой.

Вторичные ударные волнн, исходящие из областей повищенного давления, взаимодействуют с фронтом волны Зоб . Фронт вторичной ударной волны, достигнув горизонтальной стенки ударной трубы, отражается от нее и. двигаясь в противоположном направлении, вновь взаимодействует с Лл/ . В результате распространения волн между горизонтальными стенками ударной трубы и их взаимодействия с фронтом преломленной ударной волны между последней и Кц образуется система слабых тангенциальных разрывов, принимающих характерную форму периодической структуры четко регистрируемой на теплерограммах. Многократное взаимодействие вторичных волн с дифрагированным фронтом волны приводит к его внполаяиванию с постепенным затуханием амплитуды возмущения (рис.5).

В работе изиерялась начальная интенсивность вторичных ударных волн в зависимости от (рис.6), где - амплитуда Л/ сразу после дифракции:

н затухания аиплитуды преломленной ударной волни в зависимости от пути J1 , пройденного фронтом ударной волни , отне-

сенного к Д . На рис.5 представлены экспериментальные результаты в случае перехода волны из Не - Хе. Видно, что амплитуда возмущения уменьаается колебательным образом, данные для различных Л , но одной и той же пары газов, ложатся на одну линип.

Закон затухания возмущений на ударном Фронте в работе записывался через уравнение для огибаищей:

""/а;, - б (sn?

где л - степень затухания;ß - безразмерный коэффициет. Результаты представлены на рис.7.

Из рис.7 видно, что с увеличением отнояения плотностей на контактной поверхности увеличивается скорость затухания возмущений на ударном фронте. Вторичная ударная волна, распространяясь в потоке тяжелого газа за преломленной ударной волной, взаимодействует с контактным разрывом и переходит в более легкий газ. В этом случае отращенной волной будет волна разрежения. И, следовательно, в более плотном газе за преломленной ударной волной наряду с вторичными ударными волнами будут и волны разрекеция. Последние будут разгружать области с повывешшм давлением, а следовательно ускорять процесс затухания возмущений на фронте преломленной ударной волны,

В четвертой главе дано обсуждение полученных результатов. Проведенное в вироком диапазоне начальных • условий экспериментальное и численное моделирование позволило выявить роль начальной стадии неустойчивости Рихтмайера-Иеикова, то есть процесса дифракции плоской ударной волны на волнообразном контактном разрыве, на ее последувщее развитие. Предложен сценарий -развития HPK в зависимости от начальных условий.

В настоящей работе были использованы контактные разрывы, в которых изменялось от 0,4 до 8 и число Атвуда от 0.2 до

0;?5. Это позволило определить границу применимостиклассическо-

- -

го описания HPK. Линэйная стадия НРМ существует и последуящее развитие процесса происходит по классическому описанию.если реализуется "регулярно мягкий" реши«. На рис.4 показана зс«з на плоскости ), соответствующая классическому описании

развития HPK. Линейная стадия развития НРМ продолжается до тех пор. пока амплитуда возмущения на контактной поверхности «еньяе (0.3 -г 0.4)Д . скорость роста амплитуды возмущения определяется соотношением (I).

При увеличений начальной кривизны контактного разрыва cu/i. >2 и при Л •>0.4 меняется характер начальной стадии процесса. что связано с формированием вторичных ударных волн между преломленной и отрааенной ударными волнами. Нскггэние начальной формы контактного разрыва происходит сразу после окончания процесса дифракции, при этом не наблвдается линейной стадии развития НРМ. В ходе исследований обнаружено, что на начальной отрезке времени скорость роста амплитуды возмущения увеличивается, но ее максимальная величина остается приблизительно вдвое иеиьае значения, определяемого соотношением Рихтмайера (1). Формирование вторичных ударных волн при регулярном режиме дифракции является отличительным признаком "регулярно местного" режима.

Длительность нелинейной стадии существенно сокращается с ростом аЛ и Л . Нелинейная стадия характеризуется формированием структуры "пузырь-струя", отличавшейся нзньеей скоростью роста амплитуды контактного разрыва по сравнения с линейной стадией. При переходной стадии на кончике струи тяжелого газа формируется грибоподобная структура, что сопровождается дальнейшим уменьшением скорости роста амплитуды возмущения.

При дальнейшем увеличении CLo& происходит изменение резиаа дифракции плоской ударной волны на волнообразно« контактном разрыве с регулярного на нерегулярный, приводящее к искажении Формы контактного разрыва ухе во время процесса дифракции и лорнировании грибоподобной структуры на кончике струи тяжелого газа сразу после процесса дифракции и до выполахивания искаженной прелом-

ленной ударной полны. Такое быстрое формирование пярехидной стадии р-^зитиа связано с возникновением компактной области очень высокого давления на кончике струи, что приводит к ее взрыву и Формировании гр;:3модобной структуры. Вторичная ударная волна, связ1инзз с этой областью вмеокаго давления.переходит через близлекащуп контактную поверхность: волна переходит из "тяжелого" газа в "легкий". Это приводит к формированию волны разреае-тая в "тяжело«" газа и "раздуванию" ("взрыву") кончика струи, так как "тяжелый" газ увлекается за преломленной вторичной удар-волной. Такое развитие неустойчивости с иастоя'-юй работе названо нерегулярным решни.

Принципиальное отличия "нерегулярного" режима от "регулярного" о теп.что при ггослэдиои формирование грибонодзбных структур происходит на фоне однородного поля давления и связано со сдвиговым течением на контактной поверхности.приводящим к развитии неустойчивости Кельвти-Гельмгольца. В то время как при "нерегулярном" режима формирование грибоподобных структур связано с неоднородным полсч деления в районе струи, зго пульсациями, усиленными наллчиек контактной поверхности.

Скорость ростег амплитуды возмущения при нерегулярном режиме на порядок меньзе значения определяемого по соотноиешш Рихтна-йера (1). При дальнеййеи развитии неустойчивости происходит взаимодействие грибоподобннх структур, приводящее к формированию турбулетной зо:;ц, разделявшей два разноплотных газа. Переход от переходной стадии развития к турбулентной связан с дальней!»» уменьшением скорости проникновения одного газа в другой. Взаимодействие грибоподобннх структур приводит в перераспределению энергии от крупноиасвтабинх вихрей к мелкомасатабныи, что сопровождается уменьнепиэм скорости роста крупномасштабных структур. Переход к турбулентной стадии" с ее малой скоростью развития НР!г осуществляется тем быстрее, чем больве \\Л . Усложнение

процесса дифракции, то есть переход от регулярно мягкого режима к нерегулярному, ведет к более быстрому переходу к турбулентной

стадии развития НРМ.

Коротковолновые возмущения быстро переходят в турбулентна.«; стадию и, несмотря на то, что на начальных стадиях имели больную скорость роста, начинает отставать в росте, так как турбулентная стадия имеет самую маленькую скорость роста глубины проникновения (ряс.8 и 9), Длинноволновые возмущения форнируят долгокмву-щие структуры, медленно переходящие от линейной к нелинейной и так далее стадиям. В результате мого длинноволновые возиущения начинают обгонять в росте коротковолновые.

Несколько другая картина наблюдается при больвих числах йтвуда Срис.9). В области > 0.75 с уменьвением Л ( для а.е& > 2,5) наблюдается увеличение глубины проникновение. Зто связано со следующим обстоятельством, При"нерегулярком" реЕИне развитие ПРИ на турбулентной стадии во многим определяется . процессаьш, происходящими на кончике струи. Энергетика этого процесса предопределяет скорость уиирения турбулентной зоны. Формирование компактней области повывенного давления на кончике струи зависит от начальной кривизны контактной поверхности ас.4. числа йтвуда и интенсивности ударной волны , в то время как разгрузка этой области, а, следовательно, и часть энергии, поведвля иа перевешивание, определяется чисяон йтвуда на контактной поверхности. Таким образом энергия зона перемешивания пропорциональна количеству зон повывенного давления, при постоянных числах йтвуда и Наха. На рис.10 приведены результаты по глубине проникновения для "нерегулярного" ревима^ Здесь наблпдается . маг.сяауа при Л -0.75 (Не-Аг). С увеличением Л увеличивается подъем .явления в струе. Но, вероятно, с увеличением \Л уменьвается эффективность передачи потенциальной энергии в кинетическую энергия вихревой грибоподобной структуры. Зто и предопределяет существование максимума.

На рис.11 представлен график глубины проникновения одко газа в другой при Л - 72 мм, «о = 10 мм в зависимости от числа Атвуда для различных■ $ . При этих начальных условиях реализует-

- 1а -

ся "регулярный" режим. Линия 1 соответствует (1). Обмий характер коррелирует с этим соотношением, хотя при»// >0.5 (когда реализуется "регулярно яесткий" режин) наблюдается отставание в росте Й от линии 1.

Таким образом, увеличение а.А , а, следовательно, усложнение процесса дифракции, сокращает время перехода к турбулентной стадии развития ПРИ и уменьшает скорость проникновения одного газа в другой. Однако переход к "нерзгулярному" режиму при больших <х«&> особенно при > 0.75, может сопровождаться излишней закачкой энергии в турбулентний слой и, следовательно, более быстрым его униреииощ. Но всегда можно указать такую длину волна при заданных /%/<г . , б(а , при которой будет осуществляться быстр;:Э переход к турбулентной стадии и в турбулентном слое не будет переизбытка энергми. То есть существует Д , при которой рост глубины проникновения минимален.

Итак, в заключение можно сделать вывод, что развитие неустойчивости Рихтмайера-йеикова определяется процессом дифракции падающей ударной волны на границе раздела. По типу дифракции в работе проводится и классификация путей развития неустойчивости, йонио выделить три характерных типа:

1. "Регулярно мягкий" режим - соответствует классическому представлению развития процесса с характерными стадиями: линейной, нелинейной, переходной и турбулентной.

2. "Регулярно иесткий" режим - уже в процессе дифракции наблюдается изменение форм« исходной границы раздела, процесс начинается с нелинейной стадии с последующим переходом в пере-ходнув) и турбулентную. Линейная стадия отсутствует.

3. "Нерегулярный реяин" - грябоподобнаа структура на кончика струи возникает в процессе дифракции: линейная и нелинейная стадии отсутствуют. Процесс начинается с переходной стадии с последующий переходов в турбулентную.

Отличие тратьего типа от второго состоит в той, что в последней развитие грибоподобной структуры обусловлено развитием

неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, при этой поле давления, ок-рував^ее струю, практически однородно. При "нерегулярном" процессе - развитие грибоподобной структуры обусловлено "взрывным" процессом кончика стр;;!!, давление в окружающем пространстве, сильно неоднородно.

1. РазрабО!ана конструкция и создана экспериментальная установка, предпазначйниая для количественного исследования неустойчивости Рг.хтмайера-Иемкова в вироком гиапазине отноаеиия плотностей контактирующих газов, имтенсивностей •падающих ударных волн и различных форм исходного контактного разрыва.

2. В результате экспериментальных и численных исследований предложена модель развития неустойчивости РихтмаОзра-Неикова и показана определяющая роль дифракции ударной волны в этом процессе. Определены границы различных режимов эволюции НРН ("регулярного мягкого"."регулярного жесткого'ЧГнерегулярного" режимов). Получен» количественные Характеристики развития неустойчивости НРМ для Ub .<ß/ft < Зо и 0.4 <.с.в& < 8.0.

3. Определено влияние эволюции ПРИ на эатухаиЕЗ возмущений на Фронте преломлений ударной волна. Определена интенсивность затухания возмущений на фронзе ударной волны в зависимости ст отношения плотностей на контактной поверхности

Материалы диссертации отражены в следуюгснх публикациях:

1. Й.Н.Алешин Изучение взаимодействия удьрзюй волны с об-ластьв котакта двух разноплотных потоков. Депонировало в " Нн-формэнзрго". Н2299эн, 198?

2. А.Н.Алевин. Е.Г.Гамалий. С.Г.Зайцев и др. Гидродинамическая неустойчивость области контакта двух потоков различной плотности, движущейся ускоренно. //18-ая Европейская Конференция по взаимодействию лазерного излучения с векествон. Праге, май.

шодн

3. А.Н.Алевин, Е.Г.Гаиалнй, С,Г.Зайцев, Е.Й.Лас-арева, И.Г. Лебо, В.5.Розанов Исследование нелинейной и переходной стадий развития неустойчивости Рихтмайера-Мевкова.//Письма в 8ТФ, т.14, вып.12, 1988, 1063-1067

4. А.Н.Алешин, Е.В.Лазарева, С.Г.Зайцев, В.5 Розанов, Е.Г. Гаиалий, И.Г.Лебо Исследование линейной, нелинейной и переходной стадий развития неустойчивости Рих1майера-Мевкова//ДАН СССР, т.310. H 5, 1990, 1105-1108.

5. С.Г.Зайцев, Е.В.Лазарева. Е.И.Чеботарева, А.Н.Алевин, С.Н.Титов Гидродинамическая неустойчивость области контакта разноплотных сред, двиауцпхса ускоренно. // Препринт 56, Москва, ФИАН СССР. 1990.

6. А.Н.Алевин, В.В.Демченко, С.Г.Зайцев, Е.В.Лазарева Дифракция ударного Фронта на волнообразном контактном разрыве.//Сб. "Нестационарные течения газов с ударными волнами".Ленинград,1990

7. А.Н.Алевин, С;Г.Зайцев, ;Е.в;Лазар1ева Затухание возмущений на ударном фронте при неустойчивости Рихтмайера-Невкова. //Письма в 1ТФ, т. 17, вып. 14, 1991, 1-4.

8. S.Zaitsev, A.Aleshin, E.Lazareva, S.Titov, E.Chebotareva, U.Rosanov, l.Lebo, V.Detchenko. Experlaental Investigation of Raylelgh-Taylor and ÎUchtBayer-Heshkov Instabilités. 3 International uorkshop on the phisics of coapresslblô turbulent nixlne. //Royauaont, France, 1991.

9. А.Н.Алевин, В.В.Демченко, С.Г.Зайцев. Е.В.Лазарева. Взаимодействие ударной волны с волнообразным контактный разрывом. //Известия РАН. Механика жидкости и газа, H 5, 1992, 168-174.

Рис.1. Схема развития неустойчивости Рихтмайгра-Мемкоеа.

Рис,2.. Волновые давграмш взаимодействия ударной волны с контактным рззрюом при накяожом падении: а - регулярные конфигуращи; б - иерегулцрше шфгурации: 1 - ударная волна; 2 - слабай газодинамический разрыв; 3 - ксктакпшй разрыв.

Н^Хе /

» /

и/ x

к/ Ч

<1

га

Г

-

5 4

____* Паа ' г 3 * Леи

Рис.3. Зоны на плоскости и%,а.с(). соответствующие различным волновым диаграммам взаимодействия ударной волны с контактным разрывом: а - ударная волна переходит, из Не в Хе: 6 - ударная рллнэ переходит из Кг в Хе:

ак □ а

3 □

1 о

/ о О//

0 025 ОТ _______

Рис.4. Зависимость реши развития неустойчивости Рихтмайера-Неиажа ! от <шсла йтвуда и а,к дда МиЬ =4. ;

о - ревш без вторичных ударных волн !

О - ревм с вторичными ударными вол}ими 1

Рнс.5. Затухжме ахштуди возмущений на фанте дарноА волны Л* в | зависимости от пройденного пути: а - Не-Хе; б - Пг-Хс; 1 - Л -72т, \ 1 - Л -30>ш, 3-Х =24!«.

1.4

и

12

1С

о,

„ А

оЯ

п

0

0,5

/ / /.

/

0,2

■ . I

йб^

Рис.б. Зависимость числа Иаха вторичной Рис.?. Степень затухания возмущений 1а ,ударнЬЗ волна от ар к при Пй1 - 4, фонте 98 в зависимости от числа йтвуда

при//л/ = 4.

-2*г-

60 «Л

го чо

Рис.8. Занкиюсть глубины гюоиитже-ния одного газавгаугойотл и^дп пара Йг-Хе гри Пем~Ъ, а„-18«).

€0~тХ

Рнс.Э. Зависоюсть г луб»« шоникнове-жя одного газа в другой от А и£ дна паре Не-Хе цж П*,в~3. 10«.

а т

50 40 да го /о

а

т

т

т.

20

£0 10

¿=10 »/1

Ц25 Щ5 ЦЪ Л Рис.11. Зависимость глубины проникновения одного газа в другой при а»=10ш. Д -72ю(. МстЪ от числа йтвуда для различных $ : 1 - М ) Д г200»м.

Ц25 05 0,75 Л Рис.10. Зависимость глубины проникновения одного газа в другой при Йо-Юка. X -\Ъл.ПеюГЪ от числа йтвуда для разягашх ^ •