исследования развития турбулентного перемешивания на

ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
2
5
НА ГРАНИЦЕ ГАЗ–ЖИДКОСТЬ ПРИ УСКОРЕНИЯХ ОТ 10 G0 ДО 10 G0
Н.В. НЕВМЕРЖИЦКИЙ, Е.А. СОТСКОВ, А.О. ДРЕННОВ
Российский федеральный ядерный центр 
Всероссийский НИИ экспериментальной физики, Саров, Россия
Введение
Во всех направлениях инерциального термоядерного синтеза (ИТС) большое значение имеет сохранение
чистых, не перемешанных веществ на контактных границах термоядерных мишеней. Турбулентное перемешивание (ТП) веществ, возникающее при развитии неустойчивостей Рэлея–Тейлора (Р–Т), Рихтмайера–Мешкова
(Р–М) [1, 2, 3] на контактных границах, приводит к снижению температуры рабочего газа и нейтронного выхода в ИТС [4]. Поэтому требуется корректный учет развития ТП в этих устройствах.
Для описания развития турбулентного перемешивания в ИТС применяются как численные методы, так
и различного рода полуэмпирические модели. Те и другие требуют калибровки по результатам модельных экспериментальных исследований. В настоящее время практически все модельные экспериментальные исследования развития ТП на границах газ–жидкость, жидкость–жидкость проводятся при ускорениях g ≤ 103g0.
В таких экспериментах (из–за малых g) трудно понять роль поверхностного натяжения, вязкости, числа Рейнольдса, сжимаемости сред на развитие ТП. Известно [5], что поверхностное натяжение и вязкость являются,
в некоторой степени, стабилизирующими факторами на начальном этапе развития Р–Т неустойчивости
(на стадии роста начальных возмущений). Роль этих факторов на стадии турбулентного перемешивания пока
до конца не ясна. Есть основания предполагать, что влияние этих факторов наиболее отчетливо проявятся при
повышенных ускорениях.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований развития зоны ТП (ЗТП) на границе
газ–жидкость при ускорениях от ≈102g0 до ≈105g0. (P = 1 ÷ 400 ати) При этом жидкий слой ускорялся в цилиндрическом прозрачном канале газом, предварительно сжатым жестким поршнем. Поршень приводился
в движение продуктами детонации газовой горючей смеси (ПД ГГС) С2Н2+2,5О2.
1. Техника экспериментов
Эксперименты проводились на устройстве, схема которого представлена на рис. 1.
Устройство состояло из составного (из трех частей) ускорительного канала, камеры ГГС, крышки, жесткого поршня и подложки. Внутренний диаметр канала составлял 50 мм. На внутренней стороне крышки были
расположены электроискровые разрядники для инициирования ГГС. Поршень и подложка были изготовлены
из прозрачного оргстекла. При помощи бурта и прокладок подложка герметично зажималась между составными частями ускорительного канала.
Нижний торец канала был открыт: соединен с атмосферной средой.
В качестве «тяжелого» слоя в опытах использовалась вода. Она наливалась в ускорительный канал на подложку или в прозрачный контейнер. Масса слоя воды с подложкой составляла ≈ 100 г. Начальные («затравочные») возмущения на неустойчивой поверхности слоя воды задавались твердыми частицами с характерным
3
размером ≈ 0,4 мм плотностью 0,91 г/см .
Объем канала между водой и жестким поршнем заполнялся гелием, а объем камеры ГГС – смесью ацетилена и кислорода до определенного давления.
Процесс ускорения слоя в данном устройстве происходил следующим образом. После подрыва ГГС, поршень ускорялся и сжимал газ, находящийся под ним. При достижении давления газа выше критического, буртик подложки срезался, и слой вместе с подложкой ускорялся вертикально вниз. При этом граница сжимаемый
газ–жидкость становилась неустойчивой, со временем на ней развивалась ЗТП. В экспериментах с большим
начальным объемом и давлением ГГС слой приобретал большое ускорение, а в опытах с малым начальным
объемом и давлением ГГС  меньшее. В экспериментах с g ≈ 105g0 число Атвуда равнялось ≈ 0,97, перепад
плотностей на границе раздела составлял порядка 60. (Степень сжатия гелия составляла порядка 20, максимальное давление составляло порядка 400 атм).
2
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
Крышка
Система
инициирования
Камера
O
C2H2+2,5
Манометр
Г
Поршень
Манометр
∅
50
Канал
H
Газ
Слой воды
Подложка
Направление
кинорегистрации
Зеркало
Рис. 1. Схема экспериментального устройства
3
VII Забабахинские научные чтения
Регистрация процесса велась скоростной кинокамерой в одной или в двух взаимно перпендикулярных проекциях: во фронтальной (сбоку) и в горизонтальной (навстречу летящему слою).
2. Результаты экспериментов и их анализ
На рис. 2 представлены отдельные кадры кинограмм некоторых из приведенных опытов, на рисунке 3 – результаты их обработки:
зависимости ускорения слоя от его смещения  g(S);
•
g dt . На этих зависимозависимости глубины проникновения фронта газа в жидкость hЛТ от S в виде: hЛТ (Y ), где Y =
∫
стях участки в интервале 1≤Y≤4,5 (близкие к линейным) аппроксимировались прямой линией. Тангенс угла наклона этой линии к оси
2
 ∆ hЛТ 


абсцисс характеризует темп проникновения фронта ТП в жидкость β ЛТ = 
 . (Представление зависимостей в интеграль-

∆Y

ной форме связано с непостоянством ускорения).
По кинограммам и графикам видно, что:
− В опытах с g≤103g0 наблюдается классический характер развития турбулентного перемешивания при РТ
неустойчивости: газ проникает в жидкость в виде квазиокруглых пузырей, а жидкость в газ – в виде струй.
В горизонтальной проекции центры пузырей светлые.
− В опытах с g≈105g0 характер развития ЗТП несколько другой: на фронтальной проекции пузыри и струи не
просматриваются. Это говорит о том, что в структуре ЗТП появляются мелкомасштабные фракции, которые
затеняют картину фотоизображения. На горизонтальной проекции кинограммы наблюдаются затемненные
круглые пятна, похожие на пузыри в предыдущих опытах, но эти пятна практически не растут, со временем
они становятся темными. Потемнение «пузырей» возможно связано с возникновением на их внутренней
поверхности ЗТП или с их распадом.
2
− С ростом ускорения жидкого слоя от g ≈ 5⋅10 g0 до g ≈ 105g0 (с ростом давления от 1–400 ати.) происходит
уменьшение βЛТ от 0,14 до 0,03.
Полученное в данной работе уменьшение темпа проникновения фронта газа в жидкость при повышенных
ускорениях (т.е. при повышенных числах Рейнольдса) может быть объяснено изменением характера перемешивания: при больших ускорениях (давлениях) происходит уменьшение роли поверхностного натяжения
и вязкости в развитии ТП, что приводит к образованию мелких пузырей ЗТП, которые, как известно, в частности по [6], растут в жидкость медленнее крупных. При низких g и P поверхностное натяжение и вязкость подавляют развитие мелкомасштабной структуры зоны ТП, развиваются, в основном, крупные пузыри, которые
растут быстрее мелких, поэтому темп проникновения фронта газа в жидкость увеличивается.
Кроме этого, пока до конца не ясна величина поверхностного натяжения на границе раздела в этих экспериментах. Известно, в частности [7], что с повышением давления и температуры, поверхностное натяжение
воды уменьшается. Не исключено, что мелкомасштабность структуры ЗТП связана с низким поверхностным
натяжением.
4
Рис. 2. Кинограммы экспериментов
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
5
VII Забабахинские научные чтения
Рис. 3. Результаты обработки некоторых экспериментов.
а  характер ускорения слоя; б  проникновение фронта газа в жидкость от смещения слоя Y =
∫
g dt;
(характерные опыты)
Выводы
Результаты проведенных экспериментов показывают, что с увеличением ускорения (давления) жидкого
слоя от g ≈ 5⋅102g0 (P = 1 ати) до g ≈ 105g0 (P = 400 ати) в зоне турбулентного перемешивания появляются более мелкомасштабные структуры, темп проникновения фронта газа в жидкость уменьшается.
Данные явления могут быть связаны с изменением характера перемешивания с повышением ускорения
жидкого слоя и давления ускоряющего газа.
Авторы благодарят: Е.Е. Мешкова, В.А. Раевского, И.Г. Жидова, А.В. Певницкого, В.А. Устиненко,
АН.Разина и В.И.Козлова  за полезные замечания по данной работе; М.В. Близнецова, О.Л. Кривонос, Е.Д.
Сеньковского  за оформление доклада.
6
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
Ссылки
1. Lord Rayleigh. Proc.London Math.Soc.  1883, V. 14.  Р.170.
2. Taylor G.I. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendic lar to their planes.
I. Proc.Roy.Soc.  1950, V. A201.  Р. 192.
3. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной. Изв.АН СССР,
МЖГ.  1969.  № 5.  С.151158.
4. Розанов В.Б., Лебо И.Г., Зайцев С.Г., Жидов И.Г., Мешков Е.Е., Невмержицкий Н.В.и др. Экспериментальное исследование гравитационной неустойчивости и турбулентного перемешивания стратифицированных
потоков в поле ускорения в связи с задачами инерциального термоядерного синтеза.  М.: ФИАН. Препринт.  № 56.  1990.  С. 63.
5. Sharp D.H. An overview of Rayleigh–Taylor instability. Fronts, Interfaces and Patterns. Proc of the Third Ann. Int.
Conf of the Center for Nonlinear Studies. Los Alamos, New Mexico, May 1983, North–Holland Physics publishing.  1984.  P. 318.
6. Сотсков Е.А., Невмержицкий Н.В., Мешков Е.Е.,.Близнецов М.В, Дреннов А.О., Сеньковский Е.Д. Исследование развития локального возмущения и его взаимодействия с зоной турбулентного перемешивания на
границе газ–студень. ИФВ  РФЯЦ  ВНИИЭФ. Тезисы докладов на семинар по физике турбулентного
перемешивания, посвященный памяти В.В.Никифорова. Россия, Саров, ноябрь 2002.
7. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидровлическим расчётам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы).  М., Энергоатомиздат, 1984.  С. 296.