强激波冲击多晶碳/氦界面诱导的微观Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

当激波冲击两种不同物质组成的界面时,其驱动的界面流体混合现象称为Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性.惯性约束核聚变过程中,激波诱导的靶丸材料与聚变材料间的RM不稳定性是该研究领域重要的基础科学问题之一.实际靶丸材料受制于工艺无法制成单晶,理论研究证实激波在多晶材料内传播时,其波阵面会发生一定扭曲,这种扭曲是否会诱发宏观尺度RM不稳定性或形成宏观尺度RM不稳定性的种子源是靶丸设计中的关键问题.本文从多晶碳/氦界面出发,采用分子动力学模拟了强激波冲击多晶碳/氦光滑界面的微观过程,并探究了冲击速度和晶粒尺寸对其界面演化的影响.结果发现激波经过多晶材料后会发生波阵面的扭曲,使界面产生很多微小的初始扰动,而这些初始扰动会随着界面的进一步演化而持续增长,形成不同波长的扰动尖峰,发展成微观的RM不稳定性现象.不同强度的冲击发现,存在微观RM不稳定性演化的临界冲击速度区间,在此区间内,冲击速度越大,后续的界面振幅发展越快,波长越小.相同冲击速度条件下,不同晶粒尺寸工况有相似的演化过程和特征,平均振幅增长规律相近,但峰值振幅和波长差异较大,体现出较大尺度的多晶扰动可能带来较大幅度和波长的微观RM不稳定性演化机制.基于微观扰动的宏观尺度RM不稳定演化则需要开展多尺度的理论模拟与实验进行验证.     

重/轻单模界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

本文采用实验与数值相结合的方法研究平面激波冲击重/轻单模界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性问题,着重分析重/轻型界面和轻/重型界面演化的差异.实验上,利用先进的肥皂膜界面生成方法,生成初始形状可控的SF_6/air单模界面,并基于高速纹影技术捕捉界面和波系的详细演化过程.数值上,采用可压缩多组分流动高精度数值模拟程序对实验工况进行模拟,数值模拟结果和实验结果吻合良好,详细的数值流场信息促进了我们对实验中界面分层现象的分析和理解.研究发现,与轻/重界面演化不同的是,重/轻界面在激波冲击后首先进入反相阶段;与轻/重界面演化类似的是,反相后的重/轻界面依次经历线性和非线性发展.最后,本文利用实验获得的定量数据检验已有线性和非线性模型对重/轻RM不稳定性的预测能力,发现MeyerBlewett模型(Phys. Fluids,1972, 15:753–759)能有效预测重/轻界面的线性期扰动增长,而DimonteRamaprabhu模型(Phys. Fluids, 2010, 22:014104)能有效预测非线性期的扰动增长.     

Richtmyer-Meshkov不稳定性的格子Boltzmann数值模拟

为了探寻研究Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的新方法,采用耦合双分布函数格子Boltzmann方法(LBM),对激波作用下两种不同密度流体交界面的演化过程进行了数值模拟研究,着重讨论了RM不稳定性的行程和演化特征,给出了交界面的扰动增长率的变化规律,同时还研究了激波强度对扰动振幅的影响.结果表明:由于受RM不稳定性的影响,两种不同密度流体的交界面上,重流体演化成尖顶结构,而轻流体演化成气泡结构,最终由于斜压效应重流体的尖顶转变成蘑菇头形状;交界面扰动增长率与Zhang-Sohn模型较吻合;激波强度越大,扰动振幅增长率越高.研究表明所提的方法可以用于RM不稳定性的研究,有望成为两相流研究的新途径.     

反射激波诱导界面不稳定性研究进展

运动激波与流体界面相互作用能够引起复杂的流动现象,包括激波反射折射、界面失稳以及湍流混合等,在自然界和工程实际中具有重要的应用价值和研究意义.入射激波冲击之后,初始界面上的扰动在斜压涡量和压力扰动等机制下经历线性和非线性增长,界面形态不断发生变化;当反射激波再次冲击变形的界面时,涡量的产生及输运将改变界面不稳定性的演化过程,产生不同的物理现象和规律.由于反射激波的生成及控制比单次激波要更加复杂,开展与之相关的界面不稳定性研究工作具有极大的挑战性.本文回顾了近年来学者们在反射激波诱导界面失稳和湍流混合方面取得的实验、数值和理论研究进展,重点从平面和汇聚两种典型的初始激波形状出发,讨论了界面形状、激波强度、反射距离等初始条件对反射激波再次作用下界面不稳定性的影响规律,并进一步展望今后的研究重点和方向.     

不同强度平面激波冲击下正方形air/SF_6界面演化的数值研究

本文采用VAS2D数值研究了两种强度平面激波(Ma=1.18,2.50)与air/SF6/air正方形界面作用后的RM不稳定性发展,重点考察流场可压缩性对界面不稳定性发展的影响.波系结构分析表明,激波强度不同会导致复杂的激波-激波干扰发生的位置不同,从而对界面形态,尤其是射流结构的产生有重要影响.低马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面内部,诱导向外射流结构的产生;而高马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面外部,诱导向内射流结构的产生.同时,高马赫数下复杂的激波反射折射对界面发展有着重要的影响,诱导多个射流结构的产生.随着入射激波强度增大,可压缩效应明显增强,界面上产生涡量大小和分布有所不同.强激波的冲击使得界面上累积更多的涡量,涡结构增长迅速,同时也观测到滑移面上有明显的涡量产生,表明滑移面两侧流体的运动速度有较大差异.强激波的压缩使得界面获得较高的运动速度,界面宽度和高度同样具有较大的变化率.此外,强激波的冲击会导致两种气体之间混合速率增大,极大地增强了气体之间的混合.定性和定量结果表明,可压缩性对流场的波系结构以及界面形态都有着重要的影响.     

绕射激波和反射激波冲击下的Richtmyer-Meshkov不稳定性

利用高速纹影和平面片光测试技术,实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的R-M不稳定性特征.在竖直激波管采用重气体尾部充入,轻气体上部充入,狭缝流出的方式,在实验段狭缝处生成准静止稳定的N2/SF6平面界面.激波与圆柱作用后的流场是复杂的,包括初始的入射波、弯曲反射波、马赫波、由马赫反射产生的滑移线.研究这些复杂流场对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.与平面激波作用不同的是,在柱体绕射后的激波冲击下,界面会生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,会加剧湍流混合区的增长;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

内爆加载下界面不稳定性和湍流混合数值模拟研究

本文采用可压缩多介质黏性流动和湍流数值模拟代码MVFT,研究了球形汇聚几何中内爆加载Air/SF_6扰动界面导致的界面不稳定性和湍流混合的演化规律和物理机制.结果表明,这种条件下会发生复杂的波系演化,进而导致界面不稳定性和湍流混合也具有复杂的演化规律.冲击波首次加载Air/SF_6扰动界面后诱发Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性;然后扰动界面向心加速运动,此时会发生Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性;接着扰动界面逐渐转为向心减速运动,此时发生SF_6加速Air的致稳效应,它会抑制界面不稳定性和湍流混合的发展,使湍流混合区(TMZ)宽度增长速度逐渐减小,当RT致稳机制逐渐增强并占绝对主导时,湍流混合区宽度出现负增长.当透射冲击波聚心反弹后,对湍流混合区形成的是一个准等熵斜波-冲击波-泰勒波的二次加载过程,沿重/轻介质方向产生的是加载-加载-卸载效应.准等熵斜波加载也会对RT致稳机制有贡献.反射冲击波加载又会诱发RM不稳定性,而泰勒波加载会诱发RT不稳定性,二次加载产生的反射波聚心又反弹,进而重复准等熵斜波-冲击波-泰勒波的加载过程.汇聚几何所特有的Bell-Plesset (BP)效应会促进界面不稳定性和湍流混合发展.在球形汇聚几何中内爆加载所诱发的界面不稳定性和湍流混合发展过程中, RM不稳定性、RT不稳定性、BP效应和RT致稳机制存在互相竞争机制.湍动能分布显示湍流混合区发展沿径向是不对称的,不同方向湍动能分量和能谱结果表明湍流混合区发展还具有强的各向异性.     

用垂直激波管研究多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性

使用竖直激波管对气-液界面上的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象进行了实验研究,构造了空气-硅油-水及空气-酒精-硅油两类流体界面,使用氦气作为高压驱动气体,进行了激波马赫数分别为M=1.50,1.85,2.25的实验;研究了流体黏性、激波强度以及表面张力对不稳定性发展的影响.通过分析实验数据,得到了气泡深度、尖钉高度及混合区域宽度随时间的变化关系,并发现在高马赫数下非线性变化关系明显.另外,研究了硅油层厚度对RM不稳定性的影响,提供了判断硅油层对RM不稳定性发生延迟的定量依据.     

Richtmyer-Meshkov不稳定的双椭圆气柱相互作用的PIV研究

激波冲击双气柱既包含了激波与界面的相互作用又包含了界面之间的相互作用,是探索实际应用中Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性演化的很好的桥梁.利用高分辨率的粒子图像测速(PIV)技术获得了4种不同初始中心间距的双椭圆气柱在平面激波冲击下的速度场、涡量场和环量,定量表征了界面相互作用对RM不稳定性演化的影响.界面相互作用较弱时,双椭圆气柱的演化由两对涡对结构主导,内涡弱于外涡,且随着中心间距的减小内涡的弱化愈加显著;界面相互作用较强时,双椭圆气柱演化模式发生转变,内涡消失,只由一对涡对结构主导,外涡随中心间距的减小而增强.界面相互作用导致双椭圆气柱的演化行为与单椭圆气柱的演化行为不同,典型的特征是内涡的削弱及涡对结构的旋转运动.双椭圆气柱演化行为与双圆气柱演化行为也存在差别,表现为强界面相互作用时外涡随中心间距的减小而增强.     

平面激波冲击柱形气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了马赫数为1.2的平面激波冲击下柱形气体界面的演变发展过程.采用环约束的方法,利用肥皂膜技术形成了柱形界面.在单次实验中得到了平面激波与柱形界面作用的全过程,观测了波系发展以及气体界面的演化.结果表明,在激波冲击下SF6气柱下游界面会产生射流结构并最终发展成蘑菇形状;而氦气气柱受到激波冲击后会出现反相,上游界面发展出射流结构并穿透下游界面,最终界面发展成两个独立的涡结构.通过测量比较界面尺寸的变化,可以较清楚地了解界面变形的物理规律.最后将SF6气柱实验中获得的激波和气体界面的速度与一维气体动力学预测结果进行比较,吻合较好,从而验证了环约束方法在Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究中形成气体界面的可行性.     

柱状汇聚激波冲击重气柱不稳定性的数值研究

采用有限体积法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值研究了二维重气柱在柱状汇聚激波及其反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展,并比较了平面激波条件和不同汇聚角度条件下激波和界面的演化过程.气柱界面内气体为六氟化硫(SF6),环境气体为空气,柱状汇聚激波在汇聚中心形成反射激波,平面激波与右端固壁作用形成反射激波.结果表明,柱状汇聚激波及其反射激波作用下的气柱演化、界面位置变化、尺寸变化及环量变化与平面激波及其反射激波作用下的情形有着显著差别,同时,不同汇聚角度也具有一些影响,揭示了柱状汇聚激波及其反射激波作用下的界面演化机理.     

粘性应力对液体扩张抛撒影响的实验研究

利用组合式激波管和高速摄影机,获得不同工况的气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的高速摄影照片.实验结果表明,RT不稳定性和RM不稳定性均随时间增长.在扰动波发展的过程中,两相混合区中气泡的前缘基本保持圆形,而尖钉的头部在发展过程中有雾化的迹象.由于黏性的存在,不稳定性的发展将受到抑制,且随着黏性系数的增大,扰动波的增长系数随之减小.     

二维高超音速边界层扰动演化的数值研究及小激波的存在对流场结构的影响

采用三种不同的计算格式对Mach数为6, 8, 10的高超音速边界层中的二维扰动的扰动演化做了直接数值模拟. 在入口处引入不同幅值的第二模态T-S波, 研究了小激波开始生成时扰动幅值大小与Mach数的关系. 通过对扰动速度剖面与线性稳定性理论值的比较, 研究了小激波对流场结构的影响.     

激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程多层靶球各个界面发生的流体力学不稳定性是影响聚变点火成功的关键因素.为深入了解内爆过程这样不稳定性的发生、发展和它对聚变点火的影响,研制成了研究内爆多介质辐射流体力学过程的高精度二维(局部三维)大型LARED-S程序,并在长期研究实践中不断发展和改善.该程序模拟结果与不稳定性线性和弱非线性解析结果,以及非线性激波管实验结果都很好符合.应用这一程序,进行了大量数值模拟研究,结合理论模型分析,获得了大量流体力学不稳定性发展和演化的重要结果和物理规律认识.获得了具有不同密度、速度、磁场分布的Rayleigh-Taylor(RT)和Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性的线性增长率,以及它们在不可压缩条件下的弱非线性发展的解析解,表明了两者在不同Froude数、密度过渡层厚度、速度剪切层下的竞争关系;通过数值模拟,发现弱预热条件下烧蚀RT不稳定性二次谐波非线性发展导致不稳定增长尖钉(Spike)断裂的重要过程;数值模拟进一步揭露了强预热条件下,烧蚀RT不稳定性非线性发展导致不稳定增长尖钉出现射流状结构,气泡发生加速;还发现强烈的电子热传导使初始单模扰动的KH不稳定性大大削弱,然而却可能使两模扰动非线性发展增大混合尺度.在神光II激光装置上开展了一系列烧蚀RT不稳定性实验.平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响.实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像.通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据.模拟结果与实验结果相符合.神光II激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算.在上述理论和实验认识基础上,进行了ICF聚变点火靶物理研究.主要研究靶丸内外表面单球谐模扰动、辐射不对称性、内爆热斑界面不稳定性、黑腔辐射M带以及氘氚(DT)主燃料低阶模面密度不均匀性等物理过程对ICF内爆流体不稳定性的影响.对于ICF间接驱动初始烧蚀层外表面和DT冰内表面的单模粗糙度扰动和辐射驱动不对称性扰动,获得了不稳定性增长规律,提高了热斑界面扰动增长对点火影响和黑腔M带X射线能谱对内爆稳定性影响的物理认识.模拟研究表明DT主燃料面密度不均匀严重影响内爆动能转换为燃料内能的效率和内爆惯性约束时间.研究结果不仅对研究ICF内爆点火有重要参考价值,而且对发生在天体和自然界中流体不稳定性的物理本质理解会有帮助.     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

黏性应力对液体扩张抛撒影响的实验研究

利用组合式激波管和高速摄影机,获得不同工况的气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的高速摄影照片。实验结果表明,RT不稳定性和RM不稳定性均随时间增长。在扰动波发展的过程中,两相混合区中气泡的前缘基本保持圆形,而尖钉的头部在发展过程中有雾化的迹象。由于黏性的存在,不稳定性的发展将受到抑制,且随着黏性系数的增大,扰动波的增长系数随之减小。     

Reissner-Nordstrm-de Sitter时空中的超辐射不稳定性

研究了带电标量场扰动下Reissner-Nordstrm-de Sitter时空的超辐射及其稳定性问题。采用经典散射理论推导出了产生超辐射的条件,通过数值计算研究了扰动场随时间的演化情况。研究结果表明,随着时间的演化,带电的标量场在晚期会出现增长,这就意味着Reissner-Nordstrm-de Sitter时空会出现不稳定性。最后证明了这种不稳定性是由超辐射所引起的。     

展向周期变化槽道流中全局稳定性的数值模拟

用数值模拟的方法研究了基本流在展向周期变化的槽道流的全局稳定性问题.首先用线性稳定性理论求得的扰动特征函数作为初始值,计算扰动随时间的演化.经过充分的发展后,得到了全局稳定性的特征解.给出了不同展向变化幅值下的计算结果和全局稳定性下的中性曲线,分析了全局中性时雷诺数与展向不均匀程度的关系以及特征函数的性质.     

激波与不同形状界面作用的数值模拟

该文数值研究了激波与不同形状界面相互作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性发展．数值方法采用自适应的非结构四边形网格来精细刻画界面的演变．在激波Ma=1．2，界面内为sR气体的条件下，通过数值模拟激波与矩形、三角形以及椭圆界面相互作用的过程，分析并对比了这3种形状界面的波系、涡量和界面演变．结果表明，在激波作用下，不同形状流体界面的波系结构是不同的，主要表现在波系的形状以及发展两方面．此外，各种形状界面涡量的产生、分布和大小也有所不同，进而导致各种形状界面演变过程也有一定差异，因此不同形状的流体界面引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性有不同的机理．     

平面激波与V形air/SF_6肥皂膜界面相互作用的研究

本文采用实验和数值方法研究了激波与V形air/SF6界面相互作用的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.实验采用细线约束肥皂膜技术形成顶角分别为120°和60°的V形界面,并采用高速纹影法获得了界面的演变过程.同时采用VAS2D程序对该过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比,获得了较好的一致性,验证了界面形成方法的可行性.结果表明,该种方法能够生成清晰的V形界面.对比两组结果发现,激波作用过程中的波系结构相似,界面边界及顶点处均有涡结构产生.但由于不同角度界面上斜压性不同,产生的涡量幅度不同,进而诱导界面产生不同的演变速度.定量测量了界面长度随时间的变化,发现归一化的界面长度演变规律是一致的,而涡心距的变化却呈现出较大的不同,表明不同角度的界面对不稳定性的发展有一定影响.