由强冲击波驱动的流体动力不稳定性的阿特伍德数依赖性

《Journal of Fluid Mechanics》：Atwood-number dependence of hydrodynamic instability driven by a strong shock wave

激波管实验研究Atwood数对强激波（马赫数>3.0）诱导流体动力不稳定性的影响，发现传统脉冲模型在高压缩性（高冲击强度、Atwood数）和非线性阶段预测失效。提出改进脉冲模型有效涵盖宽压缩性范围，并揭示Atwood数增加通过激波邻近效应和次级压缩效应抑制早期和晚期气泡生长，同时促进刺状生长。发现现有模型均无法全面描述所有Atwood数条件下的气泡演化，主要因忽略非线性阶段的压缩性效应。实验表明界面形态的压缩性变化显著影响模态演化，尤其在中等至高Atwood数时抑制基频模增长并促进高阶谐波生成。

　　

摘要

通过冲击管实验研究了由马赫数超过3.0的强冲击波引起的流体动力不稳定性的阿特伍德数（Atwood-number）依赖性。在可压缩性条件变化的情况下，线性理论能够可靠地进行预测。相比之下，脉冲模型在高冲击强度和阿特伍德数（$A_t$）下，其预测准确性显著下降，尤其是在界面两侧的比热比差异较大时。为了解决这一局限性，我们提出了一种改进的脉冲模型，该模型在广泛的可压缩性条件下仍能提供准确的预测结果，并且保持了实用的简洁性。在非线性区域，增加$A_t$可以增强冲击波接近效应和二次压缩效应，分别在早期和后期抑制气泡的生长。同时，气泡生长受到气泡加速效应和冲击波接近效应的促进。几种模型能够在广泛的$A_t$范围内再现气泡生长现象，无论是物理机制还是偶然现象。然而，没有任何模型能够在所有$A_t$条件下可靠地描述气泡的演变过程，这主要是由于忽略了持续到非线性区域的可压缩性效应。基于这些见解，我们开发了一个经验模型，能够有效捕捉在广泛$A_t$范围内的气泡演变过程。进一步研究表明，模态演变受到界面形态变化（由可压缩性引起）的显著影响。这种影响在中等到高$A_t$范围内尤为明显，它抑制了基本模态的增长，同时促进了更高阶谐波的产生。

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