CN101726402B - 无膜重气柱界面rm不稳定性精密实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无膜重气柱界面在激波冲击作用下的RM不稳定性精密实验系统。本发明的系统主要由水平放置的不锈钢管道和垂直放置的进气排气管道所构成。所述不锈钢管道包括驱动段、被驱动段、实验段和尾段，其中驱动段与被驱动段之间设有聚酯薄膜，从而对驱动段实现密封，而被驱动段、实验段和尾段之间则互相连通。所述进气排气管道包括气体箱、实验段、真空箱和真空泵，在重力作用下，重气体由气体箱以气柱形式流入实验段，在负压吸气作用下，重气体排入真空箱中。采用本发明可以形成稳定的无膜重气柱初始界面，用于无膜重气柱界面RM不稳定性从产生、发展到湍流混合全过程的高精度测量，操作方便，可重复性好。
Description
技术领域
本发明属于流体力学研究领域，具体涉及一种无膜重气柱界面RM不稳定性精密实验系统。
背景技术
激波冲击不同密度的物质界面时，引起的RM不稳定性及湍流混合是一种十分复杂的非线性物理问题，该问题在惯性约束聚变、天体物理、尖端武器、航天火箭发动机、水中爆炸等领域有着重要而广泛的应用背景。惯性约束聚变中，内爆靶丸由多层介质构成，不同介质之间的界面在内爆冲击波作用时出现RM不稳定性，这种不稳定性能够降低靶的产额，甚至影响成败。天体物理中，超新星塌缩、爆炸、遗迹演化过程，以及反弹强冲击波与外壳和周围非均匀星际云的相互作用，也都存在RM不稳定性。国防核武器中，初级内爆开始瞬间，冲击波作用下各界面均存在RM不稳定性，次级辐射输运、烧蚀、冲击压缩等阶段，同样存在这种不稳定性现象。目前，开展RM不稳定性工程实验耗资巨大，诊断十分困难，难以得到可信的实验数据。
上个世纪八十年代开始，随着高精度、高分辨率算法和超级计算机的不断发展，通过数值模拟方法建立虚拟实验室，逐渐从而研究物理问题成为了一种重要的发展方向。这种方法一方面投资小，另一方面可得到全流场全过程的实验数据，这些优点是真实物理实验所无法比拟的，因而受到很多国家的重视。美国先后实施了加速战略计算创新（ASCI）、万亿尺度（terascale，1012）数值模拟和千万亿尺度（petascale，1015）数值模拟等大型研究计划，力图将高精度、高分辨率算法和高性能计算机相结合，通过大型数值计算深入研究各种重要的物理问题。然而，如何保证数值模拟过程中物理建模和算法的正确性以及计算结果的可靠性？这就需要发展一些基础实验来对计算程序进行校验和验证（Validation & Verification）。
由于RM不稳定性十分复杂，具有强非线性和多尺度耦合的特点，为了解决工程实际问题，同样需要沿用上述研究思路，利用超级计算机进行数值模拟。为了校验数值模拟的计算程序，需要针对该问题开展精密物理基础实验研究，气体界面RM不稳定性实验正式这样的基础实验，其关键技术就是初始气体界面的形成技术，以及界面产生、发展，到湍流混合全过程的精确测量技术。目前，国际上主要有四种初始界面形成方法，即抽平板、振荡激波管、隔膜、气泡，其中抽平板和振荡激波管技术形成的初始界面存在扩散层且无法定量测量这种扩散，且平板抽离会带来很大的扰动，实验重复性不好。隔膜和气泡方法属于有膜实验，膜片破裂后的碎片以及膜片的支架对不稳定性发展和湍流混合都有较大干扰，这种干扰十分复杂且难以分析。由于当前国际上气体初始界面形成技术尚不成熟，也进一步影响到界面演化发展过程中实验数据的测量，难以获得精确可信的界面演化实验数据。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种无膜重气柱界面RM不稳定性精密实验系统。
本发明的实验系统的技术方案如下：
一种无膜重气柱界面RM不稳定性精密实验系统，该系统由水平放置的方形不锈钢管道和垂直放置的进气排气管道所构成，二者互相交叉连接。
所述水平放置的不锈钢管道由驱动段、被驱动段、实验段和尾段组成。所述驱动段、被驱动段、实验段和尾段截面形状均为方形。所述驱动段外壁上设置有进气阀、出气阀和静态压力表，其左端密封，右端与被驱动段之间设有聚酯薄膜，实现与被驱动段的密封隔离，从而在驱动段中可充入设定压力的高压气体。所述被驱动段与实验段之间，实验段和尾段之间均采用法兰连接，管道内截面大小均相同，互相连通，均安装有动态压力传感器，实验开始前管道内压力保持为一个大气压。所述实验段的四个面设有方形K9玻璃观测窗，实验段上方安装有PIV测试相机镜头，实验段下方安装有PLIFⅠ测试相机和PLIFⅡ测试相机。所述尾段的右端法兰设置有K9玻璃材料。
所述垂直放置的进气吸气管道包括气体箱、烟雾发生器、高压重气体气瓶、真空泵、真空箱。所述气体箱为圆柱形，上部安装有一个阀门，下部安装有两个阀门，下部另安装一个出气口通过真空管连接到实验段。所述实验段上方接气体箱，下方通过真空管接真空箱。所述真空箱安装有两个阀门，一个阀门通过真空管连接到上方实验段，另一个阀门通过真空管连接到真空泵。
采用本发明的上述系统进行实验时，首先在气体箱中充入重气体和示踪粒子，然后打开真空管上的夹子，重气体会自动流入实验段，形成重气柱和空气之间的界面，待气柱从上到下流动稳定后，通过在驱动段中充入气体至预定压力，使驱动段和被驱动段之间的聚酯薄膜突然破裂，形成向右运动的平面激波冲击重气柱界面，即可实现无膜重气柱界面RM不稳定性，结合PIV和PLIF测试技术，可以开展RM不稳定性精密实验。
相比国内外现有的其它气体界面RM不稳定性实验系统，本发明的实验系统的管道阀门布置合理，实验操作方便，测试技术先进精密，实验数据精度高。利用这套系统可以形成无膜气体初始界面，开展重气柱界面RM不稳定性的精密物理实验，获得精确可信的实验数据。
附图说明
图1为本发明的实验系统的结构示意图。
图2为本发明中不锈钢管道的实验段和尾段的结构示意图。
图中：1.驱动段 2.聚酯薄膜 3.被驱动段 4.实验段 5.尾段 6.激光片光源 7.气体箱 8.烟雾发生器 9.高压重气体气瓶 10.PIV测试相机 11.PLIFⅠ测试相机 12.PLIFⅡ测试相机 13.真空泵 14.真空箱.
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细地描述。
图1为本发明的实验系统的结构示意图。
如图1所示，本发明包括水平放置的不锈钢管道和垂直放置的进气排气管道，二者互相交叉连接。其中不锈钢管道包括驱动段1、聚酯薄膜2、被驱动段3、实验段4、尾段5共计5个部分。垂直放置的进气吸气管道包括气体箱7、烟雾发生器8、高压重气体气瓶9、真空泵13，真空箱14。为了实现对于无膜重气柱界面RM不稳定性的精密测试，实验装置还包括激光片光源6、PIV测试相机10，PLIFⅠ测试相机11，PLIFⅡ测试相机12。
驱动段1为方形不锈钢管道，如图1所示，其左端封闭，管道上安装有静态压力表、进气阀和出气阀，右端通过法兰与被驱动段3连接，且二者之间夹有聚酯薄膜2，从而对驱动段实现密封。
被驱动段3为方形不锈钢管道，其左端通过法兰与驱动段相连，管道上安装有多个动态压力传感器，右端通过法兰与实验段4相互连通。
实验段4的内截面为方形，其左端通过法兰与被驱动段3相连，右端通过法兰与尾段5相互连通。实验段的四个面均为方形K9玻璃观测窗，其上方设重气柱入口，下方设有重气柱出口，具体如图1和图2所示。实验段上方安装有PIV测试相机10，下方安装有PLIFⅠ测试相机11和PLIFⅡ测试相机12。结合从尾段5入射到实验段的激光片光源6，PIV相机可准确测量气柱界面RM不稳定性演化的速度场， PLIFⅠ相机可精确测量气柱界面的初始条件，PLIFⅡ相机可测量重气柱界面演化多个时刻的流场精细结构。
尾段5为方形不锈钢管道，其左端通过法兰与实验段相连，右端为封闭法兰，法兰中部嵌有K9玻璃窗口，用于入射激光片光源6，调整尾段的长度，可以控制反射激波二次冲击重气柱界面RM不稳定性的时刻。
气体箱7用于存放形成重气柱的气体和示踪粒子，二者可分别为六氟化硫气体和乙二醇烟雾。六氟化硫气体的密度是空气的5倍以上，易于在空气中从上到下的流动过程中形成重气柱，乙二醇烟雾则对于六氟化硫气体有着良好的示踪性能，便于光学观测得到有效实验数据。
实验时，首先将高压气瓶9中的重气体和烟雾发生器8产生的示踪粒子充入气体箱7中，然后让重气体和烟雾粒子的混合气体在重力作用下自然向下流动，在实验段4中形成重气柱界面，实验段下方接有真空箱14和真空泵13，用来接收流出的重气体和烟雾粒子。
实验过程中，在驱动段1和被驱动段3之间安装聚酯薄膜2，在气体箱7中充入重气体和烟雾粒子，连通气体箱7和实验段4之间的气体导管，在重力作用下，实验段4中会形成稳定向下流动的无膜重气柱。在激光片光源6的照射下，PLIFⅠ相机11可以测量到重气柱界面的初始条件。在驱动段中充入高压驱动气体至预定压力后，聚酯薄膜会突然破裂，形成从左向右运动的激波，激波冲击重气柱界面后，会出现无膜气体界面的RM不稳定性现象，通过PIV相机可以测量到气体界面运动的速度场，通过PLIFⅡ相机可以测量到气体界面演化过程的流场精细结构。整个实验系统布置合理，操作方便，测量精密，实验数据精度高。
Claims (2)
1.一种无膜重气柱界面RM不稳定性精密实验系统，其特征在于：所述的实验系统由水平放置的方形不锈钢管道和垂直放置的进气排气管道所构成，二者互相交叉连接；
所述水平放置的不锈钢管道由驱动段、被驱动段、实验段和尾段组成；所述驱动段、被驱动段、实验段和尾段截面形状均为方形；所述驱动段外壁上设置有进气阀、出气阀和静态压力表，其左端密封，右端与被驱动段之间设有聚酯薄膜，实现与被驱动段的密封隔离，从而在驱动段中可充入设定压力的高压气体；所述被驱动段与实验段之间，实验段和尾段之间均采用法兰连接，管道内截面大小均相同，互相连通，均安装有动态压力传感器，实验开始前管道内压力保持为一个大气压；所述实验段的四个面设有方形K9玻璃观测窗，实验段上方安装有PIV测试相机镜头，实验段下方安装有PLIFⅠ测试相机和PLIFⅡ测试相机；
所述垂直放置的进气吸气管道包括气体箱、烟雾发生器、高压重气体气瓶、真空泵、真空箱；所述气体箱为圆柱形，上部安装有一个阀门，下部安装有两个阀门，下部另安装一个出气口通过真空管连接到实验段；所述实验段上方接气体箱，下方通过真空管接真空箱；所述真空箱安装有两个阀门，一个阀门通过真空管连接到上方实验段，另一个阀门通过真空管连接到真空泵。
2.根据权利要求1所述的无膜重气柱界面RM不稳定性精密实验系统，其特征在于：所述尾段的右端法兰设置有K9玻璃材料。
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