中國科學技術大學先進推進實驗室特任副教授司廷、特任副研究員翟志剛和教授羅喜勝等在激波誘導的界面不穩(wěn)定性實驗研究方面取得系列新進展，在國際上首次獲得了匯聚激波沖擊下多模界面的演變圖像，揭示了界面失穩(wěn)和復雜波系發(fā)展規(guī)律和內在機制，近期多項研究成果連續(xù)發(fā)表在J. Fluid Mech. 和Phys. Fluids 上。
激波誘導的界面不穩(wěn)定性是一種十分復雜的多尺度強非線性物理問題，是可壓縮湍流機理研究的一個主要方向，也是高能量密度物理研究的一個重要內容，在天體物理、慣性約束聚變（ICF）清潔能源、航天火箭發(fā)動機、國防尖端武器等領域有著廣泛的應用背景和研究價值。實驗研究中，激光慣性約束聚變、電磁套筒內爆、炸藥驅動金屬材料等方法耗資巨大、周期較長、診斷困難，難以大量開展。因此，在實驗室條件下，激波管中的激波加載流體界面實驗成為重要研究方法。由于匯聚激波能產生高溫高壓，更切合工程應用實際，國際研究熱點都集中在匯聚激波與界面的相互作用上。
據羅喜勝介紹，在激波管中開展激波與界面相互作用的實驗研究需要解決三大難題，即匯聚激波的產生、完美可控界面的形成和精細流場結構的觀測。通過長期攻關，研究團隊突破了“匯聚激波的產生”和“可控界面的形成”兩大關鍵技術，率先設計并建成了楔形匯聚激波管（Phys. Fluids, 2010, 22: 041701; Phys. Fluids, 2012, 24: 026101; Rev. Sci. Instrum. 2014, 85: 015107）和半圓形匯聚激波管（Phys. Fluids, 2015, 27: 091702），開發(fā)了新型復雜界面生成技術（J. Fluid Mech. 2014, 757: 800-816; J. Fluid Mech. 2015, 773: 366-394），利用先進的流場診斷方法，在國際上首次獲得了匯聚激波沖擊下多模界面的演變發(fā)展規(guī)律和機制（J. Fluid Mech. 2015, 784: 225-251）。
在一個匯聚激波管中，光滑圓弧形激波與初始氣體界面相互作用，產生反射激波和透射激波，界面上任何初始擾動都會因失穩(wěn)而增長。司廷介紹說，匯聚激波誘導下的界面不穩(wěn)定性發(fā)展與平面激波有較大差異。研究表明，透過界面的匯聚激波到達聚焦點產生局部高壓高能量密度區(qū)域，之后又迅速反射并與界面再次作用，使界面運動發(fā)生反轉，在流場中產生非常復雜的波系結構。在整個過程中，激波強度不斷發(fā)生變化，流場中壓力擾動和渦量分布促使界面運動速度以及擾動增長率都隨時間變化。因此，匯聚激波誘導的界面不穩(wěn)定性一方面將破壞激波向氣體動力學焦點匯聚的對稱性和均勻性，另一方面將促進不同流體之間的混合。研究獲得的擾動發(fā)展定量演化規(guī)律以及內在機理，能夠為相關數值模擬程序和理論提供驗證數據和圖像，也可為實際應用如ICF的靶丸設計、航天火箭發(fā)動機燃燒室的設計等提供可靠的理論指導。
上述研究工作得到了國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費的資助。
匯聚激波沖擊多模界面（左）和單模界面（右）的實驗結果
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