《[工学]Richtmyer-Meshkov不稳定性的激波管实验研究本科论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]Richtmyer-Meshkov不稳定性的激波管实验研究本科论文.doc（44页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、中国科学技术大学本科毕业论文目录摘要2Abstract3第一章 绪论4第一节研究背景和研究现状4一、 问题提出的背景4二、 Richtmyer-Meshkov不稳定性的基本概念4三、 R-M不稳定性问题的研究历史与研究现状6第二节 本文的主要工作9第二章实验原理与实验方法10第一节激波管理论的简要介绍10一、激波管流动模型的理想化10二、理想激波管流动参数的计算12三、 理想激波管可供实验的时间和最佳长度比14第二节界面的生成15一、肥皂液的配制及膜性质的初步研究15二、圆柱形界面及球状界面的生成18第三节实验装置与实验方法19一、 实验仪器介绍19二、 测量系统及同步控制20三、实验步骤及注
2、意事项21第三章实验结果与分析24第一节激波与球形氦气泡相互作用的实验结果24第二节激波与柱状氦气泡相互作用的实验结果29第三节对柱状氦气泡改进后的实验结果36第四节本章小结38第四章结论与展望40参考文献41附录 激波管参数计算matlab程序43摘要Richtmyer-Meshkov不稳定性作为激波与流体界面作用时的一种典型现象，在界面运动稳定性，旋涡以及湍流形成机理方面有着重要学术意义和应用价值。本文在传统的激波管中进行了平面激波与流体界面相互作用的实验。激波管驱动段和被驱动段均为空气，通过压力传感器测量得到了激波马赫数。同步控制系统采用延时信号触发器触发高压火花光源打火的办法。同时，实
3、验中还对界面的生成进行了探索，为满足初始界面要求，实验过程中采用在试验段吹一定形态（球状、柱状）的氦气泡来实现。用传统的黑白纹影、彩色纹影对平面激波与界面作用失稳后的物理过程进行了刻画，得到了界面失稳的纹影图片，对界面变形的原因进行了分析，并对激波与球形气泡和柱形气泡的实验结果进行了对比分析。关键词：R-M不稳定性 激波管 纹影AbstractRichtmyer-Meshkov instability is a typical phenomenon when a shock interacts with fluid interface. It is very important and val
4、uable in the interface stability, vortex and the mechanical formation of overfall.In a traditional shock tube, a series of experiments have been carried out to characterize the interaction of a planar shock wave with discrete gas inhomogeneities. The shock wave Tube driving and driven parts are full
5、 of the air , the Mach number is measured by the pressure sensor. In order to guarantee the shock wave and the interface to meet at the windows, we use the delaying signal triggers and high-voltage spark light source to get striking fire. At the same time, a spherical or cylindrical helium bubble wa
6、s blow in the trial, which can satisfy the requirements of the initial interface. The flow visualizations were obtained using traditional schlieren and two dimension colorful schlieren. The instability of the interface after the shock wave through the helium bubble was recorded on schlieren pictures
7、. The whole process of the instability of the interface was discussed and the reasons for the interface distortion were analyzed. At last, we compared the trial results of shock wave interacting separately with spherical bubbles and cylindrical bubbles.Keywords: R-M instability， Shock Tube， Schliere
8、n第一章 绪论第一节 研究背景和研究现状一、问题提出的背景近三、四十年来，在惯性约束核聚变等重要需求背景驱动下，界面运动不稳定性研究在国际学术和工程界，尤其是发达国家日益受到高度重视。这种激波-交界面的相互作用不仅在界面运动稳定性方面具有重要的学术意义，而且在超燃冲压发动机中的混合和燃烧、惯性约束热核聚变以及与掺混有关的工程实际等领域也具有重要的应用价值。另外，Richtmyer-Meshkov不稳定性也是层流失稳过渡到湍流的一个重要途径，它的研究对于认识和理解湍流也具有重要的理论意义。二、Richtmyer-Meshkov不稳定性的基本概念 当运动激波穿过不同流体界面时，由于界面两边密度等参
9、数的不同，在具有脉冲特征的激波驱动下会呈现出复杂的流动作用过程。其中最为典型的现象之一是，界面上的扰动会随时间急剧增长，产生所谓Richtmyer-Meshkov不稳定性（后文简称RM不稳定性）。激波加速界面产生失稳是由Markstein1957年首先发现的，然而对于这种不稳定性的严格的理论数值分析是由Richtmyer1960年提出的1，Meshkov1969年的激波管实验2也证实了Richtmyer理论的正确性，所以这类问题称为Richtmyer-Meshkov不稳定性。 典型的Richtmyer-Meshkov不稳定性的发展演化如图1.2.1所示，上部流体中的激波向下运动并同两流体的交界
10、面相互作用(图1.2.1a)，两流体初始状态为静止，并且在交界面上有一正弦初始扰动。激波同交界面的相互作用会产生透射激波和反射波(图1.2.1b)，反射波可以是激波也可以是稀疏波，具体反射哪种类型的波，是由两流体的相对热力学性质来确定的，本示意图针对交界面上面为轻流体，下面为重流体，反射波为激波的情形。图1.2.1c中激波同交界面的相互作用已完成，由于激波的压缩效果，交界面上的扰动强度开始会比较小；但是激波同交界面相互作用会在交界面上产生涡量，由于这个涡量的作用，交界面上的扰动会迅速发展，交界面的宽度也会迅速增加。图1.2.1d表示的是后期的交界面演化情况，这时重流体会进入轻流体而形成“钉”状
11、(spike)结构，而此时周围的轻流体会形成“泡”状(bubble)结构，整个界面形成“蘑菇”状(mushroom)，这就是Richtmyer-Meshkov不稳定性的典型特征。随着入射激波的强度不同，在R-M不稳定性的后期，在交界面上还会有明显的Kelvin-Helmholz不稳定性的存在。在图1.2.2中为Jacobs所做的R-M不稳定性实验结果3，给出了真实的演化过程(这里激波是从重流体进入轻流体)。图1.2.1 R-M不稳定性的发展示意图图1.2.2 Richtmyer_Meshkov不稳定性激波管实验 （Jacobs，PLIF ，1998）三、R-M不稳定性问题的研究历史与研究现状同
12、流体力学中的其它问题类似，R-M不稳定性的研究也主要分为理论分析、实验和数值模拟三个方面。近半个世纪来国内外学者对R-M不稳定性问题进行了大量的研究工作。l 理论研究现状为了理解和预测Richtmyer-Meshkov不稳定性现象，许多人在理论上从不同的角度对这种现象进行了探讨。主要有Richtmyer的脉冲模型理论1（Richtmyer1960）和可压缩线性理论，Hecht的Layzer型位势流模型（Hecht1994）4，Fraley的渐进增长率预测（Fraley1986）5，Velikovich和Dimonte的非线性摄动理论（Velikovich1996）6，Zhang和Sohn的非线
13、性理论7。对于Richtmyer的脉冲模型理论，主要针对对于激波扫过正弦界面，反射波为激波的情况，同时认为波后流体是不可压缩的，此时将R-T不稳定性线性理论中的体积力改成激波作用时的脉冲力。得到了一个关于R-M不稳定性扰动发展的线性模型，一般称为冲击模型，表达式为：其中 a是扰动振幅，k扰动波数,激波刚刚通过两种不同介质的界面后的扰动振幅,u激波作用界面后界面速度改变量，是波后Atwood数，其定义为 ， 是最先被激波作用的流体的密度。之后Meshkov、Fraley、Yang、Zhang和Sharp等都对该冲击模型进行了修正，使该模型适用范围更广，结果也与实验结果更接近。对于非线性理论，Zh
14、ang7和Sohn1996年提出了Pade逼近和渐进匹配方法，并用该方法就平面激波作用下的可压缩R-M不稳定性问题发展了一种非线性理论。这一理论对钉子结构、泡状结构和整体的扰动增长率给出了分析的预测公式，并取得同实验和数值模拟吻合较好的结果。l 数值研究现状随着电子计算机的迅速发展，数值模拟日益成为研究R-M不稳定性的一种有效方法。对R-M不稳定性的最先数值模拟是在1972年，Meyer 和 Blewetf8采用Lagrangian方法进行了R-M不稳定性的数值模拟，所得的结果与Meshkov的实验结果在定性上具有一致性,但其扰动增长率要比实验结果略大。1992年Cloutman和Wehner
15、9利用有限差分法和阵面跟踪技术对平面激波与正弦扰动的Air/He和Air/SF6界面作用下的R-M不稳定性进行了模拟，所得的扰动增长率要比实验的略大。1995年，Holmes10等人采用阵面追踪方法对R-M不稳定性进行了二维数值模拟研究。他们发现，采用阵面追踪方法能够得到与实验数据更为吻合的结果。而且其结果分析显示，在激波加速的早期阶段非线性和可压缩性对界面的演化己经起了重要作用，并认为这是实验结果和线性理论不一致的主要原因。2003年Zabusky11等对R-M不稳定性进行了二维的数值模拟和理论分析，并对钉子结构的中后期行为特征进行了研究分析。2006年，J.Giordano和Y.Burts
16、chell12就平面激波与球形气泡相互作用后产生的R-M不稳定性进行了数值模拟，并比较分析了不同Atwood数对界面失稳的影响。l 实验研究现状对于R-M不稳定性的实验，一般主要包括以下三个方面的内容:（1）、激波的产生方法；（2）、界面的构造或形成方法；（3）、流场结构及其发展过程的精密测量方法。 最早的R-M不稳定实验是1970年由Meshkov2在激波管中作出的，他的研究包含了各种不同气体(Air, Carbon dioxide, Freon-22, Helium)的一系列的实验。Meshkov的实验结果表明流体界面扰动随时间的增长不仅会在激波由轻气体运动到重气体的条件下发生，而且也会在
17、激波由重气体运动到轻气体的情况下发生。在由轻到重的情况下，扰动增长不会改变方向，而在由重到轻时，初始扰动会改变方向，然后增长（即所谓的“相变”）。Meshkov注意到当界面运动一段距离1-2(为扰动波长)后，界面的形状不再是初始扰动的正弦形状，而是类似于Rayleigh-Taylor不稳定界面后期发展的“手指”状。他同时测量了扰动强度对运动距离的关系，其测得的实际扰动增长率要远小于Richtmyer冲击模型给出的增长率，并给出了解释实验与理论不一致的几个因素，包括气体界面的扩散，不能保证气体在实验段的纯度，以及薄膜的可渗透性等。Benjamin13做了Air-SF6和Air-He激波管实验，给
18、出了定性的R-M不稳定性的结果，比如泡状结构和钉状结构的出现，以及对于Air-He的反相现象。Benjamin给出的扰动强度增长率要高于Meshkov的结果，但要比Richtmyer脉冲模型给出的结果要小。他指出薄膜的强度以及薄膜的碎片都会对实验结果有影响。由于薄膜很薄，可能会有He的扩散效应，并指出气体的污染不会明显影响Ms=1.22的运动激波，但会对气体声速有影响，进而影响绝热比和密度。Aleshin14等人在更强的入射激波()下进行了R-M不稳定性的实验研究，所得扰动增长率与Richtmyer模型更为接近，一个可能的原因是马赫数的增加可能减小了实验中薄膜效应的影响。Brouillette
19、15 1994年改进了激波管实验，希望通过迅速移开两种气体的分隔物而使之对R-M不稳定性的影响达到最小，但是仍然会给初始交界面带来一定的额外扰动。Jacobs 31997年利用激波管进行了有关R-M不稳定性的实验，大大降低薄膜对于扰动增长测量的影响，利用高精度的PLIF测量方法得到了早期R-M不稳定性发展的扰动增长率，与理论结果符合的很好。Hass 和 Sturevant16进行了平面激波与球形界面或柱形界面相互作用的实验，分析了激波与界面相互作用的物理过程。Ranjan172007年对激波和球形肥皂泡相互作用进行了系统的研究，分析了不同马赫数，Atwood数对界面失稳的影响。我国近十多年来在
20、界面R-M不稳定性研究方面也有所开展18，主要多从数值模拟方面入手，而实验方面则仅有一些起步或间接相关性工作，从公开发表的文献情况来看，与发达国家的水平相比尚有不小差距。同时，对于以前的实验研究，得到的多限于平面激波与界面相互作用的实验结果，然而对于球状激波或柱状激波与界面相互作用的实验结果，由于其设备复杂程度高，得到的结果也远没有前者丰富。第二节 本文的主要工作在实验室现有的设备的基础上，建立了可用于R-M不稳定性实验模拟的实验平台。并对界面的生成进行了探索，要求既能有效地隔离两种不同的流体介质，又要尽可能减少隔离物在界面运动过程中的影响，还要保持所需的初始界面形状。本次实验过程中采用在试验
21、段吹一定形态（球状、柱状）的肥皂泡来实现。并用传统的黑白纹影、彩色纹影对平面激波与界面作用失稳后的物理过程进行了刻画，得到了界面失稳的纹影图片，对界面变形的原因进行了分析。并对激波与球形气泡和柱形气泡的实验结果进行了对比分析，为以后在此平台开展柱面激波与界面相互作用提供了一定实验依据。第二章 实验原理与实验方法第一节 激波管理论的简要介绍 第一根激波管出现于1861年。1899年法国化学家威利（P.Vielle）首先利用它研究燃烧中的爆震问题。他获得了在空气中传播速度为600米/秒的运动激波。但是，一直到1940年，佩门（Payman）等人才比较详细的研究激波管内的流动。当时的应用基本上只限于
22、研究燃烧爆震、压力标定和非定常波的传播等问题。1949年以后，激波管才应用于气体动力学实验的研究，同时被改装成激波风洞。从此，激波管便逐渐发展成为今天这样一种多种用途的实验设备。一、 激波管流动模型的理想化 理想化的激波管如图2.1.1所示，是一根一端封闭，另一端开口或者封闭的等界面的管子。中间用一膜片将管子分为两段。在膜片的两侧初始分别充以不同压力的气体。具有较低压力的那一段称为“低压段”（也称为被驱动段），具有较高压力的那一段称为“高压段”（也称为驱动段）。 激波管内的实际流动是十分复杂的，为了便于分析研究，先做一些合理的假定。（1） 管内的流动是严格的一维流；（2） 略去流体粘性和热传导
23、作用；（3） 膜片破裂是瞬时完成的，接触面本身突然加速至均匀速度，而且接触面两边的气体无热量交换；（4） 在中心稀疏波区域内，流动是等熵的；（5） 在运动激波前后的区域中，热力学过程是绝热的，因而相对于激波而言，气体的能量是守恒的；（6） 高低压段的气体均为量热完全气体。我们把符合上述假定的激波管称为“理想激波管流动”。将会发现，尽管这种理想化的流动模型与实际流动有一定的偏离，但是，它却使理论分析工作大大简化。t高压段隔膜x（d）初始条件x低压段RSp1Sp2Cp3tRp40（a）x-t平面X1X21SSrCRrRt14（b）压力曲线（c）波系结构3524 14 3 C 2 1图2.1.1 典
24、型的激波管流动图像其中S：激波，C：接触面，R：中心稀疏波Sr反射激波，Rr反射稀疏波 初始时刻，激波管的高低压段气体存在压力差，一旦膜片瞬时破裂，在隔膜处便立即产生一道激波，一道接触面和一束中心稀疏波。其中，激波以W的速度在1区气体中传播，该区的气体通过激波压缩成2区（均匀区），具有伴随速度u2。接触面一开始几乎与激波重合，由于其运动速度（u2）小于激波传播速度（W），所以随着通过距离的增加，它与激波之间的间隔距离不断增大。中心稀疏波往高压段方向传播，其波头以音速a4在4区气体中传播，波头与波尾之间的区域，称为简单波区，高压气体通过该区时，被膨胀加速至3区（均匀区）。根据接触面相容条件，。激
25、波管内各个区域的压力变化和各种波的运行，见图2.1.1a,b。随着时间的推移，运动激波传播到低压段末端，遇到固壁发生反射，反射激波以Wr的速度在2区逆气流方向传播，波后是一个再一次受到压缩的区域（5区），为了满足边界条件，该区域的气体速度被滞止，u5=0。当反射激波遇到接触面时，2区便消失。往高压段方向传播的中心稀疏波，首先是波头遇到高压段末端，也要发生反射，为了满足固壁条件，反射波仍为稀疏波，并向低压方向传播。相对于它通过的气体，以当地音速传播。因此，在一定条件下，它依次可以赶上稀疏波尾，接触面和激波。基于以上对激波管流动的分析，可知2区可作为实验区，该区可以提供毫秒量级的时间间隔的高温均匀
26、流动。而反射激波后的高压高温静止区5，可以用来作为激波风洞的气源。二、 理想激波管流动参数的计算 在研究激波管流动时，往往都是从已知高低压段初始参数(例如压力和温度等)出发，首先计算膜片破裂以后所形成的激波传播速度（或激波马赫数其中W表示激波相对波前运动气体的传播速度，a为波前音速），然后将其它参量表示为激波马赫数Ms的函数。我们将利用理想激波管流动的六个基本假定，推导出高低压段初始压力比与Ms的关系式，以及2区和3区气流参数的计算公式。1、与Ms的的关系，高低压段初始压力比与入射激波马赫数Ms的关系是激波管流动的一个基本关系：通过此方程即可确定入射激波的马赫数，它是以隐函数的形式出现的，不难
27、通过数值计算求得。 2、激波管中2区气体的流动参数，压力比、密度比和温度比可以表示成为激波马赫数的函数： 3、激波管3区的流动参数，音速比、静温比、密度比、静压比和气流马赫数分别为： 4、激波管5区的流动参数，静温比、密度比、静压比、和气流马赫数分别为：三、理想激波管可供实验的时间和最佳长度比理想激波管中2区或3区均匀气流的持续时间是短暂的，而且，它往往还受到反射激波或者反射稀疏波波头的破坏。为了充分利用这股气流进行实验，必须选择适当位置安装实验模型和确定高、低压段最佳长度比。首先考虑可供实验的时间，假设下图代表的可供实验的时间为，则有其中X2为低压段的长度，从而低压段单位时间的长度可以表示为
28、：另外，对于最佳长度比，由于激波管的高低压段是有限长度的管子，因此，非定常波（激波和稀疏波）在高低压段中传播的时候，必然出现反射和干扰现象，使得激波管的有效实验时间缩短。对于低压段末端开口的激波管，其中一个比较重要的设计原则就是要保证反射稀疏波波头在模型所在位置之后赶上接触面。用Xc表示试验段模型所在位置，可以得到真空罐tt2tc图2.1.2 激波管实验的装置简图模型低压段高压段x0Xc1SCRrRts432L第二节 界面的生成R-M不稳定性研究的另一个重要方面是气体界面的产生方法，在研究的起步阶段围绕界面生成与初始扰动的成形方面经历了一个艰苦和细心的摸索过程，所形成的界面要求既能有效地隔离两
29、种不同的流体介质，又要尽可能减少隔离物在界面运动过程中的影响，还要保持所需的初始界面形状。本实验中采用在实验段吹氦气泡的方法，从而达到有效隔离气体界面的目的。一、 肥皂液的配制及膜性质的初步研究在肥皂液配置的初期阶段，无论是材料的选择，还是比例的配置，都经历了一段漫长的摸索过程。对于肥皂液的选取，要尽可能选择泡沫丰富的洗涤剂作为原材料，这样才更有利于泡泡的形成，同时应避免选用一些适用于机洗的洗涤剂,因为机洗的洗涤剂中一般都会含有抑制发泡的物质。本次实验过程中选用的是“丹姿”绿茶洗手液。另外，肥皂液配置过程中的另一主要成分为甘油，由于甘油是一种吸湿液体，它与水形成了一种较弱的化学黏合，从而减缓了
30、水的蒸发速度，延长肥皂膜的持续时间。通过将洗手液、甘油、水三种成分按照一定比例混合，即可配置出满足实验要求的肥皂液。对于肥皂液配置比例的确定，我们采取了尝试性实验的方法，并最终得到了肥皂泡的持续时间和配比之间的关系。由于肥皂液配方中含有三种成分，我们在比例选择过程中采用固定其中两种，以另一种为变量，从而测出膜的持续时间与变量的关系，从而确定出最佳的配制比。实验是在一个上进行的，肥皂泡的直径用钢尺进行测量。由于实验过程中的影响因素比较多,像周围空气扰动、空气的湿度、肥皂液的均匀程度、吹时的气流速度、入射角度、玻璃板表面的润滑液等都可能对实验结果产生影响，故我们实验中采用多组测量取平均的方法，从而
31、减小实验误差。第一组实验：测甘油含量变化对肥皂泡持续时间的影响肥皂泡直径：d=15cm水：20g 肥皂液：10g （此含量选定主要参考以前配的含量）甘油含量：0到10g玻璃板上的润滑液：由洗发水和甘油配成的溶液实验后得到甘油含量变化对肥皂膜的持续时间的影响曲线如下：图 2.2.1甘油含量变化对肥皂泡持续时间影响第二组实验：测洗手液含量变化对肥皂泡持续时间的影响肥皂泡直径：d=15cm水：20g 甘油：7g（此含量的选取主要参考第一组实验后的结果）肥皂液：0到10g玻璃板上的润滑液：与实验溶液相同实验后得到洗手液含量变化对肥皂膜的持续时间的影响曲线如下：图2.1.2 洗手液含量变化对肥皂膜的持续
32、时间的影响 从两组实验测得的实验结果可以看出，实验过程中测得的持续时间的最大值，还是存在一定差距的。这主要是由两次实验时所处环境的空气湿度、气流速度不同所致。由于肥皂泡本身具有易碎性，测得的实验数据也有一定的随机性。但总体上来说，还是可以为肥皂泡配置比提供一定的参考依据的。同时，通过两组实验润滑液的不同，可以看出，对于与肥皂液相同的润滑液更有利于泡泡的持续时间。适量的甘油可以起到减缓挥发，增长肥皂泡持续时间的作用。但当甘油含量超过一定量时，由于洗手液浓度相对下降，影响了泡泡的形成，故其持续时间会成下降趋势。二、 圆柱形界面及球状界面的生成在圆柱型界面实验中，采用在激波管试验段内加装直径20mm
33、的环形支架的方法，实验装置如图2.2.1所示，其中两圆环间的距离为20mm。在吹肥皂泡的过程中，为了便于肥皂泡的形成，首先在两圆环上蘸一定量的润滑液，待高压段充一定压力后，用一端接有充有氦气的囊体的导管在两圆环间吹出合适大小的球状气泡，待球状气泡与两圆环接触后，会自动破裂成圆柱状。对于采用此种方法形成的氦气泡，持续时间基本可以达到30秒以上，满足实验要求。图2.2.1 放置于试验段内供形成圆柱形气泡的环形支架示意图在制作球状氦气泡时，为了减少重力等因素给肥皂泡变形带来的影响，我们将端部蘸有肥皂液的导气管自下端小孔伸入试验段，导气管另一端直接与充有氦气的囊体相连。经过多次实验，采用恰当配方吹出的
34、氦气泡在试验段可维持约30秒钟的时间，基本满足实验的需求。图2.2.2 激波管试验段及环形支架实物照片第三节 实验装置与实验方法该实验是在传统的激波管中进行的，为了达到实验目的，实验、测量系统应具备以下两个功能： （1）、能够得到不同时刻界面失稳的流场图片；（2）、能够测量出激波的马赫数，从而算出一系列的实验参数。因此，实验装置大致可以分为激波管系统、测量系统、同步控制三大部分。一、实验仪器介绍实验装置如图2.3.1所示，其中激波管驱动段和被驱动段都是圆形截面，其中高压段长度为1.70 m，低压段长度为3.90 m，内径为60 mm；试验段是方形截面，观察窗高为70 mm，宽为40 mm，在被
35、驱动段和试验段之间有一个长度为100 mm的光滑过渡部分；观察窗是由普通的光学玻璃制成。在激波管的高压段接一数字式压力传感器，如图2.3.2所示，用于高压段压力的测量。对于压力传感器信号的记录，采用的是YE5853电荷放大器和Tektronix TDS 2014型四通道示波器，如图2.3.3所示在同步控制系统中，采用本实验室自行研制的信号延时触发器，如图2.3.4所示。纹影系统中采用的高压花火光源也是本实验室自行研制的，其火花闪光时间为微秒的量级，可以有效的达到“冻结”流场的目的。图2.3.1 实验装置示意图图2.3.3 示波器和电荷放大器图2.3.2 数字式压力表二、测量系统及同步控制对于压
36、力的测量，我们采取在低压段装有两个压力传感器1、2（如图2.3.1所示）的办法。破膜后，压力传感器的信号将被示波器所记录，通过激波先后通过两个传感器后压力信号的变化，从而判断出激波通过两个传感器的时间间隔，两传感器的距离通过测量我们可以得到，即可计算出激波马赫数。图2.3.4 触发延时信号发生器图2.3.5 火花光源同时压力传感器1的信号又作为延时信号的输入，由于激波马赫数我们前面已经测出，通过计算可以得到激波从传感器1到达观察窗的时间，在延时触发器中可以设置一定的延时，触发后会输出一个单次脉冲信号，触发火花光源打火，从而实现同步的目的。对于流场显示采用经典的黑白纹影和二维彩色纹影系统，光源采
37、用的是前面提到的火花光源，由于火花光源的闪光时间为微秒量级，因此在实验中可以有效的捕捉到瞬态情况下界面的形变状况。拍摄采用的是传统的CCD相机长时间曝光、单次拍摄的办法。三、 实验步骤及注意事项由于本实验中的火花光源放电存在一定危险性，因此实验一般有两个人参加，这样两人即可在实验中互相帮助，又能防止意外。下面将对各实验步骤和注意事项作详细描述。1、实验步骤（1）、根据实验要求确定实验方案、调试光路和各测量装置，使其满足实验要求。并计算出激波马赫数。（2）、通过计算出的马赫数，算出激波到达我们所需位置的时间，调节信号延时触发器，控制火花打火时间。 （3）、配置肥皂液：利用前面给出的肥皂液配比，配
38、置出可供实验的肥皂液，用于界面的生成。（4）、在激波管的高压段和低压段之间安装膜片。实验中膜片采用的是普通的塑料膜片。实验人员在用螺栓连接两部分时必须考虑使膜片能够受力均匀、对称，防止膜片产生褶皱，因此要对称地上紧螺栓。（5）、通过压气机对高压段进行充气，实验过程中激波管驱动段和被驱动段均采用空气。由于实验过程中的破膜压力一般在0.165MPa左右，考虑到肥皂泡的持续时间，我们先令压力稳定在0.130Mpa左右。（6）、用一端接有充有氦气囊体的导管蘸少量肥皂液，在试验段吹出满足实验要求的肥皂泡。（7）、再次检查各测量仪器是否都处于准备状态。关灯，继续充气，按下相机快门，等待破膜。同时记录下破膜
39、压力。破膜后，火花光源被触发，观察窗内界面的变形状态被相机所记录。同时，压力信号被示波器所记录。（8）、关闭火花光源高压电源。为了安全，用导电棍对火花塞高压电容进行放电。（9）、从示波器上读出激波通过两压力传感器的时间间隔，用于实验马赫数的计 算。（10）、关闭示波器、延时器和压力表。关闭电源，下次实验前重复步骤1。2、实验时遇到的问题及解决办法做实验的过程是一个不断解决问题的过程，在解决问题的过程中既锻炼动脑和动手能力，又能熟练实验方法和操作过程。下面将对本实验中出现的一些问题以及相关的解决方法进行介绍。（1）、膜片的选择由于膜片质量的好坏直接关系到破膜压力的大小，关乎实验的成败。所以在剪膜
40、片的时候，要尽量不要在膜片上留下折痕。膜片的大小也应尽量与圆管直径相吻合。太大或太小都会影响最终的破膜压力。同时，在破膜前，应尽量放缓充气速度，使其将膜片压破，形成一道稳定的激波。（2）肥皂泡的形成 由于肥皂泡本身具有易碎性，所以实验过程中应格外小心，避免肥皂液溅到观察窗上，影响拍摄效果。我们采用的办法是，在圆环上蘸少量的润滑液。这样导气管吹出的球形气泡很容易吸附在圆环上，通过从一侧拉到另侧的办法，即可形成稳定的圆柱状肥皂泡。对于肥皂泡下重力形成的液滴的控制，我们采取在外面先吹出一个小的肥皂泡的办法，这样导管前端的肥皂液相对均匀很多，同时肥皂泡中氦气的浓度也有所提高。另外，为了不影响观察效果，
41、每次实验后都需将观察窗拆下擦拭干净。（3）时间同步的控制 由于从触发信号发出到火花光源打火会有一定的时间延迟，所以在同步控制时应给予考虑进去。在初期的实验过程中，由于没有加以考虑，每次都无法有效的捕捉到激波。后来通过示波器测出了触发信号和火花光源打火后产生的干扰信号之间的时间间隔，即火花光源打火的时间延迟。在算出的延时中相应减去打火的时间延迟，作为信号延时触发器的延时，实现了同步的目的。本实验过程虽说比较复杂，但实验的重复性比较好，如果操作者能遵守实验规则，按照既定步骤进行操作，实验一般都能顺利完成。第三章 实验结果与分析本实验在激波管中开展了平面激波与球形氦气泡、柱状氦气泡相互作用的实验，得
42、到了界面变形的纹影图片。实验过程中激波管运行的基本参数如表3.1所示表3.1 激波管运行的基本参数室温T（K）高压段P4(MPa)低压段P1(MPa)两传感器距离L(cm)经过两传感器的时间间隔t(ms)激波马赫数MS实验值理论值2800.2650.165.31.5801.2321.230通过测量出的激波马赫数MS=1.232，按照激波管的基本流动理论，可以计算出其他各区的基本实验参数，如表3.2所示。表3.2 各区的实验参数2区3区V2(m/s)P2(MPa)T2(K)V3(m/s)P3(MPa)T3(K)117.480.16321.46117.480.16242.14 另外，由激波管流动的
43、基本理论，可以知道，当高压段压力p4发生变化时，激波的马赫数也相应的发生变化。由于实验过程中采用的是火花光源单次采集拍摄的办法，故我们对失稳过程的刻画需要实验有较强的重复性，实验过程中，我们一般可以保证破膜压力在0.16Mpa到0.165Mpa之间，而通过计算可以知道，此时的激波马赫数波动范围从1.225到1.230，只变化了0.005，在误差允许的范围内，因此我们可以忽略激波马赫数变化带来的影响。第一节 激波与球形氦气泡相互作用的实验结果实验过程中分别用黑白纹影、二维彩色纹影拍摄了激波与球形氦气泡相互作用的整个物理过程。实验过程中得到界面变形的黑白纹影图片如图3.1.1所示，图中的时间表示激
44、波与界面相互作用的不同时刻，激波是从左向右运动的，图中白线为拍摄到的激波，下面阴影物体为支撑气泡的吹气装置，圆形为供实验的球状氦气泡。a. 激波与界面接触(1s)b. 作用后20sd. 作用后100sf. 作用后300se. 作用后200sc. 作用后30sg. 作用后500sh. 作用后600s 图3.1.1 激波与球形气泡作用的黑白纹影图片由于传统的黑白纹影只能显示一个方向的密度梯度，故我们还用实验室自行发展的二维彩色纹影对界面失稳的整个过程进行了拍摄，得到的实验结果如图2.3.2所示a. 作用后5sb. 作用后30sc.作用后70s d. 作用后150se. 作用后250sf. 作用后3
45、00sg. 作用后400sh. 作用后500si. 作用后600s图3.1.2 激波与球形气泡作用的彩色纹影图j. 作用后700s从图3.1.1和3.1.2给出的激波与界面作用后的界面变形图片中可以看出，激波作用之前，氦气泡能保持较好的球形（图3.1.2a）；激波与气泡相遇后，除了透射激波波进入泡内氦气介质外，还产生了反射波向上游传播。同时，由于氦气中的音速比空气中的高，可以看出透射激波在氦气泡中的传播明显比在空气中传播的快（图3.1.2b，c）。同时在激波的压缩作用下，空气/氦气界面开始向泡内弯曲（图3.1.2d）；随着时间的发展，界面的迎风面部分向内弯曲凸起越来越明显，相对而言，背风面部分在前期阶段仍能保持较好的球面形状（图3.1.2e, f）。随着时间的增长，气泡的背风面也逐渐发生了变形（图3.1.2g），产生了一系列的涡环结构（图3.1.2 i，j）。作为对比，这里给出了Layes等人激波与球形氦气泡作用实验的阴影照片19（图3.1.3），相应时刻本次实验中的实验照片如图3.1