Dynamic Compression and Energy Concentration in Fluids Using Shock Waves

QC261005

Abstract

Stötvågor utgör ett effektivt sätt att dynamiskt komprimera fluider och generera intensiva, lokaliserade termodynamiska och mekaniska tillstånd med höga temperaturer och tryck. Sådana tillstånd är relevanta för tillämpningar såsom tröghetsinneslutningsfusion, stötvågslitotripsi, riktad läkemedelstillförsel, materialforskning samt studier av bränsleantändning och detonation. Denna avhandling undersöker två relaterade flödesfall där stötvågsdynamik och stötvågsinducerade interaktioner styr kraftig kompression, energikoncentration och den resulterande flödesutvecklingen i fluider.

Den första delen av avhandlingen undersöker stötvågskonvergens i gaser, där en krökt stötvåg förstärks när den fortplantar sig mot sitt fokus och ger upphov till höga temperaturer vid fokusering och efterföljande reflektion. Experimenten utförs i ett stötrör, vilket möjliggör kontrollerad generering och undersökning av de konvergerande stötvågorna. Höghastighetsskuggrafi, optisk emissionsspektroskopi och fotometri används för att mäta stötvågens bana och fokustemperaturen, medan numeriska simuleringar med tillståndsekvationer för ideala och reella gaser kompletterar experimenten. Resultaten visar att konvergensprocessen påverkas av den initiala stötvågsstyrkan, olikformigheter uppströms och realgaseffekter, vilka tillsammans styr de fokustemperaturer som realistiskt kan uppnås.

En generaliserad skalning för fokustemperaturen utvecklas, där effekterna av stötvågssymmetri, konvergensförhållande och initialt gastryck beaktas. Skalningen, som demonstreras för argon, möjliggör förutsägelse av fokustemperaturen utifrån tillgängliga initialparametrar och ger en grund för invers design, så att de förhållanden som krävs för att nå en måltemperatur kan uppskattas. Efter fokuseringen reflekteras stötvågen och fortplantar sig uppströms, där den interagerar med det inkommande gränsskiktet. Dessa interaktioner visar sig vara starkt beroende av gasens värmekapacitetskvot och kan leda till bifurkation av den reflekterade stötvågen. Sådana icke-ideala flödeseffekter förändrar det termodynamiska tillståndet bakom den reflekterade stötvågen, vilket är viktigt att karakterisera i studier av kemisk kinetik och detonation med geometrier för stötvågsfokusering.

Den andra delen av avhandlingen undersöker stötvåg--bubbelinteraktioner i en vatten--gelatinlösning som används som surrogat för vatten. Dessa studier behandlar hur stötvågor som interagerar med inhomogeniteter med låg densitet i vätskor kan generera lokaliserade trycktoppar, höghastighetsjetar och koherenta virvelstrukturer. Experiment i gränsfallet vatten--luft är fortfarande relativt sällsynta eftersom det är utmanande att generera starka stötvågor i vatten, interaktionerna omfattar tryck i gigapascalområdet och starka densitetsgradienter begränsar användningen av konventionella optiska visualiseringstekniker. Plana blastvågor med Mach-tal 1,4 och 1,5 genereras genom exploderande kopparfolier med hjälp av en pulsad effektgenerator, och deras interaktion med cylindriska luftbubblor visualiseras med synkrotronbaserad röntgenfaskontrastavbildning. Mätningarna gör det möjligt att följa interaktionen från den infallande vågens träff genom jetbildning, emission av en vattenhammarstötvåg, kollaps av kvarvarande lober och senare bildning av virvelpar. Jämfört med motsvarande idealiserade stegliknande stötvågsinteraktion ger drivningen med en blastvåg av ändlig bredd, i kombination med bubblans cylindriska geometri, tunnare och långsammare jetar, svagare vattenhammarstötvågor, större kvarvarande lober och ett händelseförlopp som är tydligare separerat i rum och tid. Denna separation gör det möjligt att identifiera mekanismen bakom en andra trycktopp uppströms och den efterföljande utvecklingen av vorticiteten i flera steg.

Slutligen undersöks effekten av stötvågskrökning genom interaktionen mellan cylindriska och halvcylindriska konvergerande stötvågor och en koaxiell cylindrisk luftbubbla. I den cylindriska konfigurationen kollapsar bubblan inåt och utvecklar spikar till följd av Richtmyer--Meshkov-instabilitet, medan den transmitterade stötvågen fokuseras inuti bubblan och når höga Mach-tal, vilket leder till förhöjda temperaturer i bubbelgasen. I den halvcylindriska konfigurationen koncentrerar den asymmetriska interaktionen rörelsemängden i en enda supersonisk jet och ger upphov till lokaliserade högtrycksområden, intern Mach-reflektion och koherenta virvelstrukturer.

Sammantaget visar avhandlingen hur stötvågor kan generera intensiva termodynamiska och mekaniska tillstånd genom geometrisk konvergens och interaktioner med gas--vätskegränsytor. Den bidrar vidare till förståelsen av hur de interaktioner och flödesstrukturer som utvecklas under dessa fenomen påverkar de resulterande tryck- och temperaturtillstånden samt den efterföljande flödesutvecklingen. Denna förståelse är viktig för att tolka dessa fenomen, både för att bättre utnyttja stötvågsdriven kompression och energikoncentration och för att förutse och begränsa deras potentiellt skadliga effekter i naturliga och tekniska system.

Link to DiVA