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.     

广义Richtmyer-Meshkov不稳定性研究进展

Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于学术界和工程应用的诸多领域,具有重要的研究背景和意义.过去的研究大多局限于均匀激波冲击初始扰动界面诱导的经典RM不稳定性情形.近年来,非均匀扰动激波冲击物质界面诱导的广义RM不稳定性方向,受到了学术界的关注,其实验研究和数值模拟等方面取得了许多进展.本文回顾了广义RM不稳定性研究方法的发展过程,总结介绍了三种实验方法和三套数值模拟程序,对比展示了这些方法及程序在广义RM不稳定性研究方面获得的图像结果和深入分析,具体包括平面和汇聚两种几何构型下,界面演化的激波形状、激波强度、界面密度比等多种效应,以及在演化机理和理论模型方面取得的进展.针对目前研究的局限性,本文提出了未来研究的重要方向:广义RM演化晚期湍流混合与经典RM晚期的异同、极端条件下实验、先进诊断技术、理论计算和内在物理机制.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

行星际压力扰动传播的数值研究

采用一维时变ＭＨＤ模型，系统地研究了压力扰动在行星际空间的传播．结果表明：（１）压力扰动在行星际空间发展成为快激波对和接触间断，其中密度扰动和持续时间较短的温度扰动，可能导致慢激波的形成；（２）激波和接触间断的强度随扰动幅度的增长而变强，形成位置则随扰动持续时间变短而提前；（３）随着扰动持续时间的增长，快激波强度增强，慢激波强度反而减弱；（４）快激波主要受温度扰动控制，而慢激波则主要受密度扰动控制．     

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.     

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。