СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ЗОНОЙ ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ГАЗОВ Российский патент 2025 года по МПК G01M9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Способ относится к области экспериментальной газодинамики и может быть использован для исследования взаимодействия ударной волны различной интенсивности и зоны турбулентного перемешивания на контактной границе газов, образовавшейся при развитии гидродинамической неустойчивости Рихтмайера-Мешкова.

Уровень техники

Гидродинамические неустойчивости Рихтмайера-Мешкова, Рэлея-Тейлора, Кельвина-Гельмгольца и вызванное ими турбулентное перемешивание контактирующих веществ, являются одним из препятствий при попытках получения зажигания термоядерного горючего в мишенях управляемого инерциального термоядерного синтеза. Турбулентное перемешивание - процесс хаотического проникновения одного вещества в другое - нарушает симметрию схождения оболочек мишеней, намешиванию материала оболочки в горючее, может влиять на интенсивность вторичных ударных волн, приходящих к центру мишени через ранее образовавшуюся зону турбулентного перемешивания. Техническая проблема, решаемая созданием изобретения, - это получение экспериментальных данных о динамике ударной волны, приходящей через зону турбулентного перемешивания, что является принципиально важным аспектом для тестирования современных численных кодов, применяемых в расчетах мишеней. В настоящее время такие данные исследователи пытаются получить на ударных трубах. Для этого ударная труба в газе должна создавать две последовательные ударные волны: первая служит для инициирования на контактной границе (КГ) инертных газов (воздуха, Хе, Не, SF₆, Ar и др.), различающихся плотностью, неустойчивости Рихтмайера-Мешкова, приводящей со временем к образованию зоны турбулентного перемешивания газов, вторая, проходя через эту зону, и является, собственно, предметом исследования.

Известен «Способ исследования динамики зоны турбулентного перемешивания под действием двух противоположно-направленных ударных волн в ударной трубе» раскрытый в диссертации Кевина Фергюсона из университета Аризоны (Кевин Фергюсон. Неустойчивость Рихтмайера-Мешкова в отраженной УВ в вертикальной двухдрайверной ударной трубе. Диссертация. Университет Аризоны, кафедра аэрокосмической и машиностроительной техники, 2022, 208 с.). В этой работе эксперименты проводились в вертикальной ударной трубе с двумя противоположно расположенными камерами высокого давления (верхней и нижней). Камеры заполнялись сжатым воздухом и имели общую камеру низкого давления. Верхний отсек камеры низкого давления заполнялся воздухом, нижний - SF₆. На контактной границе воздуха и SF₆ специальным образом задавались начальные возмущения. Камеры высокого давления отделялись от камеры низкого давления разрушаемыми мембранами. Ударные волны в камере низкого давления образовывались после разрушения мембран камер высокого давления и последующего освобождения энергии сжатого воздуха. Через контактную границу воздух-SF₆ изначально проходила ударная волна, сформированная от верхней камеры, она индуцировала на границе неустойчивость Рихтмайера-Мешкова. Эта неустойчивость со временем приводила к развитию турбулентного перемешивания газов. Через некоторое время разрушалась мембрана нижней камеры, и образовывалась вторая ударная волна примерно такой же интенсивности, как и первая. Эта волна изначально пересекалась с первой, а затем проходила зону турбулентности. Числа Маха этих ударных волн относительно низкие (М = 1,2-3). Цель этих опытов - исследовать динамику зоны турбулентного перемешивания под действием двух противоположно-направленных ударных волн.

Недостатком представленного способа является то, что ударные волны в трубе обязательно пересекаются, что приводит течение к сложному виду, сами волны искажаются при взаимодействии, и не представляется возможным исследовать динамику второй ударной волны, прошедшей через зону турбулентного перемешивания, так как вторая волна уже искажена первой. Кроме этого, в данной постановке экспериментов, из-за относительно низкой энергии сжатого воздуха, невозможно значительно (в 3-10 раз) увеличить интенсивность второй ударной волны по сравнению с первой. Это уменьшает информативность эксперимента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ исследования взаимодействия ударной волны с зоной турбулентного перемешивания газов, раскрытый в публикации (Хэ Ван, Цин Цао, Ченжэнь Чен, Чжиган Чжай, и Сишэн Луо, «Экспериментальное исследование эволюции границы раздела легкий-тяжелый, вызванной двумя последовательными ударными волнами», J. Fluid Mech. (2022), vol. 953, A15, doi:10.1017/jfm.2022.945).

В этой работе в ударной трубе с двумя последовательными камерами высокого давления, заполненными сжатым воздухом до определенного давления, экспериментально исследовано развитие неустойчивости Рихтмайера-Мешкова (роста возмущений), индуцированной двумя последовательными ударными волнами. Для синхронного создания двух последовательных ударных волн между камерой высокого и низкого давления стандартной ударной трубы добавляли вторую камеру высокого давления, а также использовали оборудование с электронным управлением для разрыва двух мембран, разделяющих камеры. Эта ударная труба при помощи сжатого воздуха может создавать две последовательные ударные волны с максимальным числом Маха М = 2,5 и определенным интервалом времени между ними. Такое число Маха обеспечивается максимально возможным для этой трубы отношением давления в первой и во второй камерах высокого давления (р₁, р₂, соответственно) к давлению в камере низкого давления р, т.е. перепадом давлений, Δр₁ = p₁ / p = 5; Δр₂ = p₂ / p = 5.

Недостатком способа является отсутствие возможности существенного изменения скорости второй ударной волны по сравнению со скоростью первой волны, так как для получения сильной ударной волны (например, с числом Маха более 5) второй камерой высокого давления требуется перепад давлений Δр₂ ≥ 100 (Рахматулина Х.А., Семенова С.С. Ударные трубы. - М.: Иностранная литература, 1962. С. 669). Это сложно реализовать при помощи энергии сжатого воздуха. Поэтому в данном способе исследовать динамику второй ударной волны, прошедшей через зону турбулентного перемешивания газов, и существенно отличающейся по интенсивности от первой, затруднено, т.е. в данном способе низкая информативность исследований. Кроме этого, использование оборудования с электронным управлением для разрыва двух мембран, разделяющих камеры высокого давления и первую камеру высокого давления от камеры низкого давления, усложняет эксперимент.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый нами способ, заключается в повышении информативности исследований путем формировании двух последовательных ударных волн различной интенсивности в ударной трубе для исследования взаимодействия второй ударной волны с зоной турбулентного перемешивания газов в условиях развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова.

Данный технический результат достигается тем, что в способе исследования взаимодействия ударной волны с зоной турбулентного перемешивания газов, включающем формирование двух последовательных волн в камере низкого давления ударной трубы, содержащей две последовательно соединенные камеры высокого давления и общую камеру низкого давления, новым является то, что первая ударная волна создается сжатым инертным газом (воздухом, азотом, аргоном и т.д.), находящимся в первой камере высокого давления, а вторая - подрывом газовой взрывчатой смеси ацетилена и кислорода стехиометрического состава С₂Н₂+2,5О₂ (ГВС), находящейся во второй камере высокого давления под начальным давлением от 0,1 МПа до 1 МПа, конкретная величина которого выбираются из условия превышения скорости второй ударной волны, созданной энергией взрыва смеси, над скоростью первой, созданной сжатым газом (после подрыва газовой взрывчатой смеси перепад давления на мембране, разделяющей вторую камеру высокого давления и камеру низкого давления должен быть Δр₂ ≥100).

Необходимо отметить, что внутренняя энергия указанной ГВС (калорийность) при одних и тех же условиях значительно выше энергии сжатого воздуха. Так, после подрыва этой смеси, находящейся при начальном давлении Р = 0,1 МПа в камере высокого давления реализуется равновесное давление, р₂ ≈ 1,35 МПа, при Р = 1 МПа р₂ ≈ 13,5 МПа. Таким образом, при давлении воздуха в камере низкого давления ударной трубы р = 0,1 МПа, получаем Δр₂ ≈ 135. Для получение такого же перепада давления на мембране при помощи сжатого воздуха потребуется Р = 13,5 МПа, что значительно усложняет эксперимент. Вариация начального давления смеси позволяет получать после ее подрыва в инертном газе (например, в воздухе), находящемся в камере низкого давления этой ударной трубы, вторую ударную волну различной интенсивности, т.е. с различными числами Маха (в практических условиях - от М = 1,2 до М = 6,6). Мембраны, отделяющие камеры высокого давления и первую камеру высокого давления от камеры низкого давления, работают на саморазрыв при превышении давления в камерах выше заданного критического, что упрощает эксперимент.

В результате применения такого решения данный способ позволяет формировать вторую ударную волну с числами Маха от М = 1,2 до М = 6,6 и исследовать взаимодействие второй ударной волны различной интенсивности с зоной турбулентного перемешивания на контактной границе газов, созданной первой ударной волной, сформированной сжатым инертным газом.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема ударной трубы с двумя камерами высокого давления для исследования взаимодействия второй ударной волны с зоной турбулентного перемешивания на контактной границе газов различающихся плотностей в условиях неустойчивости Рихтмайера-Мешкова, где: 1 - первая камера высокого давления со сжатым инертным газом; 2 - вторая камера высокого давления с газовой взрывчатой смесью; 3 - мембрана, разделяющая камеры высокого давления; 4 - мембрана, отделяющая первую камеру высокого давления от камеры низкого давления; 5 - камера низкого давления; 6 - тонкая полимерная пленка; 7 - измерительная секция с инертным газом; 8 - диафрагма герметизирующая; 9 - датчик давления торцевой (ДСЛ); 10 - область инициирования газовой взрывчатой смесью; Д₀ - датчик давления пусковой; Д₁, Д₂, Д₃ - датчики давления боковые.

Кинограмма взаимодействия второй ударной волны с зоной турбулентного перемешивания в измерительной секции 7 в эксперименте с исследуемой КГ воздух-SF₆ представлена на фиг. 2, где: 11 - репер; УВ₁ - первая ударная волна, созданная сжатым воздухом; УВ₂ - вторая ударная волна, созданная ГВС; ЗТП - зона турбулентного перемешивания.

На фиг. 3 показаны диаграммы давления, зарегистрированные датчиками Д₁, Д₂ и Д₃ в опыте с контактной границей воздух-SF₆, где: 12 - УВ₁ в воздухе на датчике Д₁; 13 - УВ₁ в воздухе на датчике Д₂; 14 - УВ₁ в SF₆ на датчике Д₃; 15 - УВ₂ в воздухе на датчике Д₁; 16 - УВ₂ в воздухе на датчике Д₂; 17 - УВ₂ в SF₆ на датчике Д₃.

На фиг. 4 показана диаграмма давления, зарегистрированная торцевым датчиком ДСЛ в SF₆ в опыте с контактной границей воздух-SF₆.

На фиг. 2-4 время t отсчитывается от момента запуска датчика Д₀. В этом опыте в первой камере высокого давления находился воздух под давлением 0,68 МПа, во второй камере - смесь ацетилена и кислорода стехиометрического состава (С₂Н₂+2,5О₂) при давлении 0,1 МПа, в камере низкого давления находился воздух при атмосферных условиях.

Скорость первой ударной волны в воздухе (от сжатого воздуха) составила U_УВ1 = 500 м/с, второй УВ₂ (от взрыва ГВС) - U_УВ2 = 830 м/с. Величины скоростей определены по разности времени срабатывания датчиков Д₁ и Д₂ и расстоянию между ними, равному 150 мм (см. фиг. 1 и 3).

По фиг. 2 при 3732 мкс видно, что вторая ударная волна УВ₂ после прохождения через зону турбулентного перемешивания расширяется и искривляется. Физика этого явления подлежит дальнейшим исследованиям.

Осуществление изобретения

Способ реализуется при помощи ударной трубы, содержащей две последовательно соединенные камеры высокого давления 1, 2, общую камеру низкого давления 5, измерительную секцию 7, разрушающиеся мембраны 3, 4, заданной толщины, тонкую (2-3 мкм) полимерную пленку 6, разделяющую изначально измерительную секцию и камеру низкого давления, диафрагму 8, герметизирующую измерительную секцию, торцевой датчик динамического давления 9 (ДСЛ) и несколько боковые датчиков динамического давления (Д₀, Д₁, Д₂, Д₃) для определения давления (Р) и скоростей ударных волн.

Ударная труба работает следующим образом.

Камера высокого давления 2 заполняется газовой взрывчатой смесью ацетилена и кислорода стехиометрического состава (ГВС) при определенном давлении, камера высокого давления 1 - инертным газом (воздухом, аргоном, гелием и т. д.) до критического давления разрушения мембраны 4. При этом величина начального давления выбирается исходя из условия превышения скорости второй волны, созданной энергией взрыва смеси, над скоростью первой, созданной энергией сжатого газа.

Камеры разделяются между собой разрушающейся мембраной 3, которая выдерживает критическое давление разрушения мембраны 4 сжатым инертным газом (например, воздухом). В камере низкого давления находится воздух («легкий» газ) при атмосферных условиях. Измерительная секция заполняется исследуемым «тяжелым» газом (SF₆, Ar, Xe или др.) также при атмосферных условиях.

Под действием давления выше критического происходит саморазрыв мембраны 4. По камере низкого давления распространяется ударная волна УВ₁, которая разрушает полимерную пленку и приводит со временем на контактной границе «легкий-тяжелый» к развитию неустойчивости Рихтмайера-Мешкова и последующему турбулентному перемешиванию газов. Через некоторое время от пуска датчика Д₀, сработавшего от УВ₁, запускается при помощи системы синхронизации высоковольтная установка, которая выдает импульс на электроискровое инициирование ГВС в области 10, находящейся в камере высокого давления 2. После подрыва ГВС образуется детонационная волна, которая разрушает мембрану 3 и в инертном газе первой камеры высокого давления образуются волны сжатия, которые формируют в ней вторую ударную волна УВ₂, которая со временем выходит в камеру низкого давления, затем в измерительную секцию, и проходит через образовавшуюся ранее (от УВ₁) зону турбулентного перемешивания исследуемых газов.

С применением заявленного способа формирования второй ударной волны, была проведена серия экспериментов с регистрацией взаимодействия второй ударной волны и зоны турбулентного перемешивания, индуцированной первой ударной волной.

Способ относится к области экспериментальной газодинамики и может быть использован для исследования взаимодействия ударной волны различной интенсивности и зоны турбулентного перемешивания на контактной границе газов, развивающейся при неустойчивости Рихтмайера-Мешкова. Суть способа заключается в том, что для исследования взаимодействия ударной волны различной интенсивности с зоной турбулентного перемешивания газов, развивающейся при неустойчивости Рихтмайера-Мешкова, он включает формирование двух последовательных волн в камере низкого давления ударной трубы, содержащей две последовательно соединенные камеры высокого давления и общую камеру низкого давления. Первая ударная волна создается сжатым инертным газом, находящимся в первой камере высокого давления, а вторая - подрывом газовой взрывчатой смеси ацетилена и кислорода стехиометрического состава, находящейся во второй камере высокого давления под начальным давлением, величину которого выбирают из условия превышения скорости второй волны, созданной энергией взрыва смеси, над скоростью первой, созданной сжатым газом. Технический результат заключается в повышении информативности результатов исследования путем создании в ударной трубе двух последовательных ударных волн различной интенсивности. 4 ил.

Способ исследования взаимодействия ударной волны с зоной турбулентного перемешивания газов, включающий формирование двух последовательных волн в камере низкого давления ударной трубы, содержащей две последовательно соединенные камеры высокого давления и общую камеру низкого давления, отличающийся тем, что первую ударную волну создают сжатым инертным газом, находящимся в первой камере высокого давления, а вторую – подрывом газовой взрывчатой смеси ацетилена и кислорода стехиометрического состава, находящейся во второй камере высокого давления под начальным давлением, величину которого выбирают из условия превышения скорости второй ударной волны, созданной энергией взрыва смеси, над скоростью первой, созданной сжатым газом.