исследование развития турбулентного перемешивания на

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
НА ГРАНИЦЕ ГАЗ-ГАЗ ПРИ ЧИСЛАХ МАХА УДАРНОЙ ВОЛНЫ ОТ 2 ДО 9
М.В. БЛИЗНЕЦОВ, Н.В. НЕВМЕРЖИЦКИЙ, А.Н. РАЗИН,
Е.А. СОТСКОВ, Е.Д. СЕНЬКОВСКИЙ, Л.В. ТОЧИЛИНА, В.А. УСТИНЕНКО
РФЯЦ — ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия
Аннотация
Представлены экспериментальная методика и результаты исследования турбулентного перемешивания,
возникающего при развитии неустойчивости Рихтмайера-Мешкова на границе раздела двух газов, ускоряемой
ударной волной с числом Маха до 9. В качестве легкого газа использовались гелий (He) или воздух (Air), в качестве тяжелого - шестифтористая сера (SF6). Во всех опытах ударная волна распространялась из легкого газа в
тяжелый. Число Маха ударной волны в SF6 варьировалось от 2 до 9. Регистрация течения осуществлялась скоростной киносъемкой шлирен-методом. Получено, что с увеличением числа Маха оптически наблюдаемая ширина зоны перемешивания увеличивается.
Введение Гидродинамические неустойчивости типа Рэлея-Тейлора [1], Рихтмайера-Мешкова [2, 3] играют важную роль во многих областях исследований, например, в астрофизике, аэрогидродинамике, газодинамике, в
инерциальном термоядерном синтезе и т.д. Для расчета развития этих неустойчивостей и связанного с ними
турбулентного перемешивания (ТП) применяются как численные методы, так и различного рода полуэмпирические модели. Те и другие требуют тестирования по экспериментальным данным.
Известен ряд экспериментальных работ, в которых исследовалось развитие ТП на границе разноплотных
газов при числах Маха ударной волны (УВ) М ≤ 5 (например, [3÷5]). Для лучшего понимания влияния сжимаемости среды на развитие ТП желательно иметь экспериментальную информацию в более широком диапазоне изменения чисел Маха УВ.
В предлагаемой работе УВ формировалась в ударной трубе типа [6] в результате детонации горючей газовой смеси (ГГС) ацетилена и кислорода. Турбулентное перемешивание исследовалось на границе тяжелого
газа (SF6) и легкого газа (He или воздуха). Число Маха УВ изменялось в диапазоне от 2 до 9.
Техника экспериментов
Схема ударной трубы представлена на рисунке 1. Ударная труба состояла из камер высокого (драйвер) и
низкого давления. Камеры отделялись друг от друга диафрагмой из лавсана толщиной 100-150 мкм. К камере
низкого давления подсоединялась измерительная секция с глушителем. Измерительная секция имела два окна
из оптически прозрачного оргстекла. Она отделялась от камеры низкого давления полимерной пленкой толщиной ≈ 0,3 мкм, а от глушителя - мембраной из лавсана толщиной 50 мкм.
В экспериментах камера низкого давления заполнялась легким газом: гелием либо воздухом; измерительная секция – SF6 (ρо≈6,5 г/л; С0 ≈129,5 м/с; γ≈1,094) при атмосферных условиях. В глушителе находился воздух
при атмосферных условиях. Длина камеры высокого давления (драйвера) варьировалась в диапазоне
L1=220÷450 мм, камеры низкого давления – L2=800÷1550 мм. Камера высокого давления заполнялась ГГС под
определенным давлением Р0 . Детонация ГГС осуществлялась импульсным электроискровым разрядом.
Диафрагма
Камера низкого давления
Газоввод
Пленка
разде-
Измерительная
секция
Мембрана
L1
Манометр
Крышка
L2 (Не, воздух)
Камера высокого давления
40 мм
200-280 мм (SF6)
Точка подрыва смеси
Глушитель Рисунок 1. Схема ударной трубы Работа установки
После инициирования ГГС по камере высокого давления распространяется детонационная волна. При выходе ее на диафрагму, последняя разрушается и в легкий газ распространяется УВ. При выходе УВ на контактную границу раздела (ГР) легкого газа с SF6 , происходит распад разрыва с образованием УВ, движущейся по
SF6 и отраженной волны, уходящей в легкий газ. После деструкции разделительной пленки, ГР газов ускоряется, в результате чего на ней возникает неустойчивость Рихтмайера-Мешкова, приводящая к развитию зоны
турбулентного перемешивания (ЗТП) легкого и тяжелого газов.
Вариация состава и давления ГГС позволила получить УВ разной интенсивности.
Регистрация течения осуществлялась шлирен-методом скоростной кинокамерой в покадровом режиме и в
режиме щелевой развертки изображения.
Результаты экспериментов и их анализ
На рисунке 2 представлены щелевые и покадровые кинограммы экспериментов с гелием, на рисунке 3 –
экспериментов с воздухом, на рисунке 4 – расчетные (без ТП) и экспериментальные X(t) диаграммы течения
для некоторых опытов. Погрешность измерения положения фронтов ЗТП (Х1, Х2) и УВ в экспериментах составляет ±0,5 мм, временная погрешность – 0,5%t. На рисунках буквой А обозначено чило Атвуда с учетом
сжатия газов. Газодинамические расчеты течения проводились по одномерной методике «ВИХРЬ» [7].
По кинограммам и графикам видно, что с увеличением числа М УВ в SF6:
−
контактная граница раздела газов и, соответственно, передний фронт ЗТП приближаются к фронту УВ
(из-за высокой сжимаемости SF6) - при высоких М в экспериментах не наблюдается оптического просвета между УВ и передним фронтом ТП (Х1) (см. рисунок 2б);
2
−
оптически наблюдаемая ширина ЗТП увеличивается;
Близость фронта ТП и УВ может приводить к их взаимному влиянию, что предстоит выяснить в последующих исследованиях.
Предложенная методика позволяет исследовать развитие ТП на границе газов и при более высоких числах
Маха. При этом максимальная величина числа Маха определяется прочностью измерительной секции.
Выводы
Разработана экспериментальная методика исследования развития турбулентного перемешивания на границе газов, ускоряемой УВ с числом Маха до 9. Получено, что с увеличением числа Маха УВ от 2 до 9 оптически наблюдаемая ширина зоны турбулентного перемешивания на границах Не-SF6 , Air-SF6 увеличивается.
Наблюдается приближение переднего фронта ТП к УВ, что связано с высокой сжимаемостью SF6. Последнее
обстоятельство может приводить к взаимному влиянию УВ и ТП.
В дальнейшем предполагается проведение детальных исследований развития ТП на границе газов различающейся плотности при М>>5.
Авторы выражают благодарность Е.Е. Мешкову, В.А. Раевскому, В.И. Козлову, С.И. Герасимову – за полезные замечания и предложения по данной работе; А.Е. Егорушкиной, О.Л. Кривонос, В.И. Дудину, А.А. Никулину за помощь в подготовке и в проведении экспериментов.
Список литературы
1. G.I. Taylor. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.
Proc.Roy.Soc., 1950, v.A201, p.192.
2. R.D. Richtmyer. Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids. Commun.Pure Appl.Math., 1960,
v.13, p.297.
3. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной. Изв.АН СССР,
МЖГ, 1969, № 5, с.151-158.
4. С.Г. Зайцев, Е.В.Лазарева, В.В.Чернуха, В.М.Беляев. Интенсификация перемешивания на границе разноплотных сред при прохождении через нее ударной волны. ДАН СССР, 1985 г., т. 283, №1, с.94-98.
5. E.A. Lasareva, A.N.Aleshin, S.V.Sergeev, S.G.Zaytsev and J.F.Haas. Shock-Induced Intensification of Turbulent
Mixing. The Proc of the 6th IWPCTM, Marseille, France, 1997, p.295-300.
6. Х.А. Рахматулина, С.С.Семенова. Ударные трубы. М.: Иностранная литература, 1962 г., с.699.
7. В.А. Андронов, В.И.Козлов, В.В.Никифоров, А.Н.Разин, Ю.А.Юдин. Методика расчета турбулентного перемешивания в одномерных течениях (методика ВИХРЬ) // Вопросы атомной науки и техники. Сер.:
Математическое моделирование физических процессов. 1994 г., вып. 2, c.59.
X
K
ЗТП
Х1
SF6
Не
40 мм
Х2
УВ
R
М=6,6 t
б)
X
40 мм
а)
М=3,9 t
K
93 мкс
УВ
SF6
Не
ЗТП
Х1
K
K
93 мкс
Не
K
40 мм
М≈2 R
93 мкс
в) Х2
ЗТП X2
R
SF6
X1
УВ
t = 52 мкс 185 мкс 252 мкс 352 мкс 418 мкс 518 мкс 87,5 мкс г) Не
K
45 мм
М≈6,7
SF6
X2
ЗТП
R
t = 29 мкс 45,8 мкс 54 мкс 62,5 мкс 79 мкс д) М≈9
19,6 мм
Не
ЗТП
X2
R
K
SF6
t = 25 мкс УВ
33 мкс 42 мкс 50 мкс 58 мкс 67 мкс Обозначения: УВ – ударная волна; Х1 – фронт проникновения «легкого» газа в «тяжелый»; Х2 – фронт проникновения «тяжелого» газа в «легкий»; t – время, отсчитывается от выхода УВ на ГР; К – конструктивный элемент (вне течения); R – реперные линии. Рисунок 2. Кинограммы экспериментов развития зоны ТП на границе гелий‐SF6: а) опыт №1 (A≈0.95); б) опыт №2 (A≈0.99) – щелевые кинограммы; в) опыт №3 (A≈0.95); г) опыт №4 (A≈0.99); д) опыт №5 (A≈0.99) 5
а)
ОВ
Х2
R
40 мм
М≈6,9
SF6
ЗТП
УВ
ПД
воздух
К
x
93 мкс
t
б)
воздух
ЗТП
М≈1,8
SF6
Х2
40 мм
R
Х1
К
в)
t = 58 мкс 192 мкс 325 мкс 425 мкс 525 мкс 592 мкс ОВ
воздух
Х2
ОВ
ЗТП
SF6
40 мм
М≈7,8
R
К
t = 4,4 мкс 29,4 мкс 41,9 мкс 54,4 мкс 66,9 мкс 79,4 мкс Обозначения: УВ – ударная волна; ОВ – отраженная волна; ПД – продукты детонации ГГС; R – реперные линии, К – конструктивный элемент (вне течения); t – время отсчитывается от момента прихода УВ на контактную границу. Рисунок 3. Кинограммы экспериментов развития зоны ТП на границе воздух‐SF6: а) опыт №6 (A≈0.89) – щелевая кинограмма; б) опыт №8 (A≈0.83); в) опыт №7 (A≈0.89) 6
Снежинск, 24⎯28 сентября 2001 г.
а)
1640
ГР-расчет
УВ-расчет
ОВ-расчет
УВ - эксперимент
x2 - эксперимент
1620
Х,мм
1600
SF6
1580
1560
1540
Не
1520
430
450
470
490
510
б)
530
550
570
590
t,мкс
УВ-расчет
ГР--расчет
ОВ-расчет
УВ-эксперимент
x2-эксперимент
ОВ-эксперимент
1650
1625
Х,мм
1600
1575
SF6
воздух
1550
1525
в)
1500
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
t,мкс
1820
1800
Х,мм
1780
УВ-расчет
ГР-расчет
ОВ-расчет
Х2-эксперимент
УВ-эксперимент
SF6
1760
воздух
1740
1720
1700
810
830
850
870
890
910
t,мкс
Обозначения: ОВ – отраженная волна; t – время отсчитывается от момента детонации ГГС; ор‐
дината Х отсчитывается от крышки камеры высокого давления. Рисунок 4. Х(t) диаграммы течения в ударной трубе. а) опыт №2 (Не‐SF6); б) опыт №6 (воздух‐
SF6); в) опыт №7 (воздух‐SF6 L1=450 мм; L2=1275 мм; ГГС – С2Н2+2,5О2 с Р0=6,8±0,05 атм) 6