专利名称：一种用于激波管实验研究的界面生成装置的制作方法
技术领域：
本发明属于流体力学技术领域，具体涉及一种用于激波管实验研究的界面生成装置。
背景技术：
当性质不同的两层流体之间的界面受到激波冲击 作用时，界面上的扰动会不断增长，形成Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性。该现象的研究具有重要的工程应用和学术研究价值，涉及惯性约束核聚变、尖端武器、航天发动机、天体物理、湍流等诸多研究领域。开展激波管实验是研究RM不稳定性的重要方法，其中界面生成方法一直以来都是影响实验精度的关键技术之一。目前，间断面类型的界面通常采用硝化纤维膜方法形成，该方法首先将硝化纤维溶液洒在水面，待溶液中的有机溶剂挥发以后，水面上便会形成一层薄膜，用模具将薄膜取出并烘干以后，薄膜便会保持为模具的形状并可进一步用于实验研究。硝化纤维膜最初用于RM不稳定性研究至今已达30年的历史(参见Meshkov EE(1969),Instability of the interface of two gases accelerated by a shock wave,Fluid Dyn4 :101-404),随着实验技术的整体提高，这种界面生成方法也表现出一些不足，例如该方法操作繁琐，所需附加设备多，而且配制溶液，烘干等过程导致实验周期较长。需要注意的问题是硝化纤维膜经历了激波冲击以后，所形成的固体薄膜碎片会跟随流场一起运动，吸收界面两侧流场的能量，对流场演化晚期产生影响，降低实验精度。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的目的是提供一种用于激波管实验研究中的界面生成装置，解决目前RM不稳定性实验研究中气体界面生成方法存在的问题，如实验过程繁琐，对流场演化晚期干扰较大等。( 二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种界面生成装置，用于生成激波管实验中所需的液体薄膜，包括顶部固定板、底部固定板、活动板和界面附着线，其中所述顶部固定板和底部固定板相互平行并且距离固定，用于固定整个装置，所述活动板设置于所述顶部固定板和所述底部固定板之间，并与所述顶部固定板和所述底部固定板平行；所述顶部固定板的下表面和活动板的上表面上各设有一个槽，所述两个槽的位置在竖直方向上相互对应，其形状关于水平面对称，用于固定所述界面附着线，所述界面附着线用于附着所述液体薄膜，所述活动板用于使顶部固定板的下表面和活动板的上表面的所述槽中固定的界面附着线相互接触或分离。根据本发明的一种优选实施方式，所述顶部固定板上开设有注入孔，所述注入孔的中心位于所述槽的中心线上，用于将该顶部固定板的下表面上的槽与该顶部固定板的上部空间连通，以向所述槽中注入形成所述液体薄膜的液体。
根据本发明的一种优选实施方式，所述顶部固定板和所述活动板中槽的宽度大于所述界面附着线的宽度，所述槽的深度大于所述界面附着线的高度。根据本发明的一种优选实施方式，所述槽的中心线的形状与所述界面附着线的形状相同。根据本发明的一种优选实施方式，所述活动板的下表面与一个滑动杆固定连接，使得所述活动板能够在所述滑动杆的带动下沿着所述滑动杆的轴向进行滑动。根据本发明的一种优选实施方式，所述活动板的下表面开设有与所述滑动杆相对应的沉孔，通过所述沉孔将该滑动杆固定于活动板。
根据本发明的一种优选实施方式，在所述底部固定板的与所述滑动杆的对应的位置开有通孔，以便滑动杆可以穿过所述通孔而沿其轴向自由滑动。根据本发明的一种优选实施方式，所述滑动杆的位于所述底部固定板的下方的位置处连接有锁紧装置，该锁紧装置能够将所述滑动杆相对于所述底部固定板锁紧。根据本发明的一种优选实施方式，所述界面生成装置安装于一个激波管实验段的矩形窗中，所述顶部固定板和所述底部固定板位于激波管实验段的矩形窗中激波首先达到
的一端。根据本发明的一种优选实施方式，形成所述液体薄膜的液体为肥皂水。(三)有益效果与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果I、本发明的界面生成装置的结构简单，设置合理，并且安装方便，因此能够提高实验效率。2、本发明利用液体薄膜的形状依赖于其边界的特性，通过改变液体薄膜边界的类型即可调节液体薄膜的形状，所形成的界面便于数学建模，为相关流体力学不稳定性的理论研究与数值模拟工作提供新的思路与实验数据支持。3、本发明利用液体薄膜在激波冲击作用下形成的液滴对流场干扰小的特性，将其用于RM不稳定性实验研究，既能够保证间断面类型的气体界面形成，又降低了实验过程中流场的能量损耗，利于提闻实验精度。
图I是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第一个实施例的结构示意图；图2是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置在激波管中的安装位置示意图；图3是图2的A-A剖视图；图4是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第二个实施例的结构示意图；图5是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第三个实施例的结构示意图；图6是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第四个实施例的结构示意图7是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第五个实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。图I是本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置的第一个实施例的结构示意图。如图I所示，本发明的用于激波管实验研究的界面生成装置包括顶部固定板I、活动板2、底部固定板3、界面附着线6、滑动杆4和锁紧装置7。顶部固定板I和底部固定板3相互平行,用于固定整个装置。顶部固定板I与底部固定板3之间的距离固定，其间距为激波管实验段8的截面高度，形状为矩形，宽度至少小于激波管实验段8的矩形窗的长度的一半，长度至少大于激波管实验段8的矩形窗的宽度。在本实施例中，顶部固定板I和底部固定板3的材料优选为透明材料，例如有机玻璃，其间距为20mm,宽度为55. 5mm,长度为151mm。此外,顶部固定板I和底部固定板3的局部 结构及尺寸可以根据激波管的具体结构及尺寸进行调整，以适应不同实际情况的需要。活动板2设置于顶部固定板I和底部固定板3之间，并与其平行。顶部固定板I的下表面和活动板2的上表面上各设有一个槽，两个槽的位置在竖直方向上对应，形状关于水平面对称，所述两个槽均用于固定界面附着线6。顶部固定板I和活动板2中槽的宽度至少大于界面附着线6的宽度,其差值最好为0. 5 2mm,例如其为I 4mm,槽的深度至少大于界面附着线6在槽中的高度,其差值最好为I 5mm,槽的长度至少大于截面附着线6的长度，其差值最好为0. I 1_，槽的中心线形状和界面附着线的形状相同，可以为直线、正弦形、圆形、椭圆形、正方形或三角形等。界面附着线6用于使激波管实验所需的液体薄膜附着在已知形状的边界上。在本实施例中是一种肥皂膜附着线，其用于使肥皂膜附着在界面附着线6上，使得肥皂膜边界的形状与界面附着线6的形状相同。但本发明并不限于此，界面附着线6也可以用于附着其它成分的液体薄膜。通过粘接方式将一根界面附着线6的一个侧面固定于顶部固定板I的下表面的槽的侧壁上，将另一根界面附着线6的相对应的侧面固定于活动板2的上表面的槽的相对应的侧壁上。两根界面附着线的宽度为0. 5 1mm，高度为2 4mm。在图I所示的实施例中，界面附着线6的形状为正弦形，其宽度为1mm，高度为3mm。活动板2用于使顶部固定板I的下表面和活动板2的上表面的槽中固定的界面附着线6相互接触或分离。活动板2的形状为矩形，宽度至少小于底部固定板3的宽度，长度至少小于激波管实验段8的截面的宽度，活动板2的长度与激波管实验段8的截面的宽度的差值最好为0. 5 1mm。在该实施例中，活动板2的材料为有机玻璃，其宽度为50mm，长度为139mm。在顶部固定板I上开设有注入孔，注入孔的中心位于槽的中心线上，该注入孔用于将该顶部固定板I的下表面上的槽与该顶部固定板I的上部空间连通，注入孔直径可为0. 5 2mm，个数可为2 3个，注入孔的中心位置最好在槽的中心线上均匀分布。在该实施例中，顶部固定板I具有三个直径为I. 6mm的注入孔，并且该注入孔能够与外部液体注入装置相连接，所述液体注入装置例如是肥皂水注入装置。活动板2的下表面与滑动杆4固定连接，使得该活动板2能够在滑动杆4的带动下沿着滑动杆4的轴向进行滑动。该滑动杆4可以为一个，也可为多个，最好由金属材料制成，其直径在3至7mm之间。在该实施例中，滑动杆4的个数为两个，其同为钢材料制成，且直径为6_。活动板2与滑动杆4之间可通过任何方式固定，在该实施例中，活动板2的下表面上开设有与滑动杆4的位置相对应的沉孔，通过沉孔将活动板2与滑动杆4固定在一起。活动板2上的沉孔形状应与滑动杆4的上部顶端形状相适应，以便将活动板2与滑动杆4固定。相应的，在底部固定板3的与滑动杆4的对应位置开有通孔，以便滑动杆4可以穿过通孔而沿其轴向自由滑动，从而可带动活动板2做升降运动。底部固定板3上的通孔直径应大于滑动杆4的直径，以便于滑动杆4穿过通孔自由滑动。二者的差值可为I 2_。在该实施例中，通孔直径为7_。根据本发明的一种优选实施方式，每个滑动杆4的杆身的位于底部固定板3的下
方的位置处连接一个锁紧装置7，锁紧装置7的用途是将滑动杆4相对于底部固定板3锁紧。锁紧装置7的直径大于滑动杆4的直径，使得锁紧装置7可以沿滑动杆4的轴向移动，当锁紧装置7移动至底部固定板3的下表面时，利用摩擦力使锁紧装置7固定在滑动杆4上，从而使滑动杆4、底部固定板3以及活动板2之间的相对位置固定。在该实施例中，锁紧装置7与滑动杆4具有内、外螺纹结构，通过螺纹结构将锁紧装置7沿滑动杆4的轴向移动，直至其紧密接触底部固定板3的下表面，利用摩擦力使锁紧装置7自锁，从而限制了滑动杆4的移动，使活动板2固定于底部固定板3上。激波管实验段8是激波管的组成部分，大致呈一管状结构。激波管实验段8的侧壁用于形成激波管内的封闭空间。激波管实验段8的上、下两侧壁的相对位置开有两个矩形窗，其用于安装本发明的装置的顶部固定板I和底部固定板3。另外，矩形窗上还安装光学玻璃，光学玻璃用于观察激波经过矩形窗时的流场演化。在该实施例中，激波管实验段8的上、下壁的矩形窗的长度为151mm，宽度为140mm，激波管实验段8的截面的高度为20mm，宽度为140mm，激波管实验段8的侧壁的高度为20mm。图2示出本实施例中顶部固定板I和底部固定板3在激波管实验段8的固定位置。激波管实验段8的上壁的矩形窗安装了顶部固定板I和顶部光学玻璃，其下壁的矩形窗的相对位置安装了底部固定板3和底部光学玻璃。顶部固定板I和顶部光学玻璃以及底部固定板3和底部光学玻璃之间采用密封胶进行密封，如图所示，本发明的整个装置安装于激波管实验段8的矩形窗中，顶部固定板I和底部固定板3位于相对的位置并位于激波管实验段8的矩形窗中激波首先达到的一端。图3是图2的A-A剖视图，图3示出了本发明的装置的活动板2的活动范围，由图可见，该范围即为激波管实验段8的截面高度。在具体实施过程中，推动滑动杆4使活动板2与顶部固定板I固定的界面附着线6紧密接触。通过顶部固定板I的注入孔将肥皂液注入槽中，直至顶部固定板I和活动板2上固定的界面附着线6均被充分润湿，同时顶部固定板I和活动板2的槽内均积累一定量的肥皂液。当两根界面附着线6的肥皂液充分接触以后，拉动滑动杆4使活动板2降至底部固定板3。进一步，开启锁紧装置7使活动板2固定于底部固定板3，所形成的肥皂膜即可附着于界面附着线6以及激波管实验段8的两个侧壁上。肥皂膜形成以后会随着时间的推移逐渐变薄直至最终破裂。经过实验验证，本发明装置所形成的肥皂膜在停止注入肥皂液后到肥皂膜破裂前可存在5min以上。由于激波管实验的时间量级为1ms，肥皂膜的持续存在时间可以满足实验要求。肥皂膜界面的数学建模可以通过以下方式进行，假定界面两侧压力相等，肥皂膜界面保持极小曲面形状，曲面上任意点的平均曲率为0，根据极小曲面性质，可知(l+fy2) fxx-2fxfyfxy+(l+fx2) fyy = 0其中f (x，y)为表征极小曲面形状的数学函数，fx，fxx为函数f (x，y)在X方向的一阶与二阶偏导数，fy，fyy为函数f (x，y)在y方向的一阶与二阶偏导数。具体地，在界面附着线为正弦形状的图I所示的实施例中，函数f(x，y)在波峰或波谷的位置保持I值固定，此处极小曲面形状可近似表述为
权利要求
1.一种界面生成装置，用于生成激波管实验中所需的液体薄膜，其特征在于，包括顶部固定板(I)、底部固定板(3)、活动板(2)和界面附着线，其中 所述顶部固定板(I)和底部固定板(3)相互平行并且距离固定，用于固定整个装置， 所述活动板(2)设置于所述顶部固定板(I)和所述底部固定板(3)之间，并与所述顶部固定板(I)和所述底部固定板(3)平行； 所述顶部固定板(I)的下表面和活动板(2)的上表面上各设有一个槽，所述两个槽的位置在竖直方向上相互对应，其形状关于水平面对称，用于固定所述界面附着线(6)， 所述界面附着线(6)用于附着所述液体薄膜， 所述活动板(2)用于使顶部固定板(I)的下表面和活动板(2)的上表面的所述槽中固定的界面附着线(6)相互接触或分离。
2.如权利要求I所述的界面生成装置，其特征在于，所述顶部固定板(I)上开设有注入孔，所述注入孔的中心位于所述槽的中心线上，用于将该顶部固定板(I)的下表面上的槽与该顶部固定板(I)的上部空间连通，以向所述槽中注入形成所述液体薄膜的液体。
3.如权利要求I所述的界面生成装置，其特征在于，所述顶部固定板(I)和所述活动板(2)中槽的宽度大于所述界面附着线(6)的宽度，所述槽的深度大于所述界面附着线(6)的高度。
4.如权利要求3所述的界面生成装置，其特征在于，所述槽的中心线的形状与所述界面附着线(6)的形状相同。
5.如权利要求I所述的界面生成装置，其特征在于，所述活动板(2)的下表面与一个滑动杆(4)固定连接，使得所述活动板(2)能够在所述滑动杆(4)的带动下沿着所述滑动杆(4)的轴向进行滑动。
6.如权利要求5所述的界面生成装置，其特征在于，所述活动板(2)的下表面开设有与所述滑动杆(4)相对应的沉孔，通过所述沉孔将该滑动杆(4)固定于活动板(2)。
7.如权利要求5所述的界面生成装置，其特征在于，在所述底部固定板(3)的与所述滑动杆(4)的对应的位置开有通孔，以便滑动杆(4)可以穿过所述通孔而沿其轴向自由滑动。
8.如权利要求7所述的界面生成装置，其特征在于，所述滑动杆(4)的位于所述底部固定板(3)的下方的位置处连接有锁紧装置(7)，该锁紧装置(7)能够将所述滑动杆(4)相对于所述底部固定板(3)锁紧。
9.如权利要求I至8中任一项所述的界面生成装置，其特征在于，所述界面生成装置安装于一个激波管实验段(8)的矩形窗中，所述顶部固定板(I)和所述底部固定板(3)位于激波管实验段(8)的矩形窗中激波首先达到的一端。
10.如权利要求I至8中任一项所述的界面生成装置，其特征在于，形成所述液体薄膜的液体为肥皂水。
全文摘要
本发明公开了一种生成激波管实验中所需的液体薄膜的界面生成装置，包括顶部固定板、底部固定板、活动板和界面附着线，其中顶部固定板和底部固定板相互平行并且距离固定，用于固定整个装置，活动板设置于所述顶部固定板和所述底部固定板之间，顶部固定板的下表面和活动板的上表面上各开有一个槽，两个槽的位置在竖直方向上相互对应，其形状关于水平面对称，用于固定界面附着线，界面附着线用于附着所述液体薄膜，活动板使两个界面附着线相互接触或分离。本发明的整个装置结构简单合理、安装方便，因此能够提高实验效率。
文档编号G01M9/00GK102759439SQ201210213439
公开日2012年10月31日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者王显圣, 罗喜胜 申请人:中国科学技术大学