液-液斜界面R-T失稳特征的实验研究

实验研究了不同加速度下不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性诱导湍流混合区的发展特征。利用高速阴影测试技术研究了硅油/碘化钾溶液界面R-T不稳定性诱导界面的演化规律,定量分析了混合区发展宽度、界面倾角与时间的关系。通过实验结果分析得出:水平界面与斜界面混合区宽度演化的差别主要体现在后期,前、中期两者演化规律基本一致;界面倾角的演化呈现出两种不同的趋势,随时间先呈抛物线增长,随后线性增长,演化后期流体界面发生翻转;由R-T不稳定性诱导的界面混合与K-H不稳定性诱导的界面混合呈相互竞争的关系。     

斜界面Rayleigh-Taylor不稳定性混合实验研究

 实验研究了不相溶流体斜界面Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性湍流混合区的混合不对称性特征。利用高压气体加速装有不同液体的箱体,加速度方向由轻液体指向重液体,此时界面是R-T不稳定性的。利用阴影测试技术,研究了初始倾角9°的ZnCl₂溶液/正己烷斜界面的演化规律,得出混合区内混合不对称、斜界面倾角渐增的规律。     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

3维Mortar谱元法模拟Kelvin-Helmhtz不稳定性混合层

采用Mortar谱元法和多处理器并行计算技术模拟了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性湍流的混合发展过程,通过对混合层动量厚度、能谱和总动能的计算,评估了Kelvin-Helmhtz混合层的演化机理。计算结果表明:3维Mortar谱元法具有高计算精度和光滑区域的指数收敛特性,可以有效模拟混合层流动的湍流混合和演化,能够捕捉到涡的合并现象和大涡到小涡的级联过程;初期的混合层层流运动发展成具有连续谱结构的湍流运动过程,实现了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性混合层流动从2维发展到3维的转捩特征,总湍流统计动能的变化反映了粘性耗散过程的作用。通过对Kelvin-Helmhtz 3维界面不稳定性混合层流动和3维层流向湍流转捩过程的数值模拟,程序的有效性得到了验算,表明谱元法应用于湍流混合模拟是可行的。     

经典瑞利-泰勒不稳定性界面变形演化的改进型薄层模型

激光惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸通常采用多壳层组合结构设计,各壳层界面的流体力学不稳定性影响内爆加速和聚变点火,是ICF十分关心的问题.本文建立了描述任意Atwood数、任意初始界面分布Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性界面变形及非线性演化的薄层模型.通过分析薄层中流体微团的受力,得到了运动微分方程组,并在二维情况进行数值求解.在线性阶段,薄层模型描述的界面演变规律与模拟结果符合很好;在非线性阶段,薄层模型可以描述至"蘑菇"形结构,与数值模拟的结果很接近.目前薄层的RT不稳定性非线性解析理论研究仅限于弱非线性阶段,本工作发展的薄层解析理论能很好地研究薄层非线性"气泡-尖钉"发展过程.     

R-T不稳定性发展的二维和三维对比研究

 应用摄动方法研究不同密度流体交界面上的Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性问题，分别研究了二维（2D）与三维（3D）R-T不稳定性的线性与非线性增长，并进行了对比。得出的结论为：（1） 三维不稳定性的线性增长比二维情况要快，且同维度上相同的初始扰动波长，其时间增长指数受另一维度上的初始波长影响。（2） R-T不稳定性发展在考虑了非线性增长的影响之后，二维与三维扰动增长的图像也不一样。     

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.     

“反尖端”界面不稳定性数值计算分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对"反尖端"界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。"反尖端"界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。     

界面不稳定性数值模拟中的虚拟流动方法

研究了流体界面不稳定性的一类数值模拟方法——虚拟流动方法(Ghost Fluid Method).在算法中直接针对多维问题设定虚拟区域的流动参数,在流体力学方程的计算中采用了非分裂型的高分辨SCB格式,最后利用该方法完成了R-M和R-T不稳定性问题的数值计算,得到了满意的计算结果.     

ADS无窗靶件自由界面流动非稳态特性研究

加速器驱动次临界系统(ADS)无窗靶件设计的重点之一,是研究冷却剂自由界面形成和控制机理。本文使用水作为模拟工质,对无窗靶件模型的自由界面非稳态特征进行了实验研究并进行了数值模拟。采用激光诱导荧光方法对自由界面流场进行了可视化研究,得到了高雷诺数下的自由界面和可视化流场信息。可在高雷诺工况流场中可观察到大尺度非稳态涡结构,随着自由界面的波动,涡结构表现出几种典型的瞬态特征。采用大涡模型(LES)湍流模型结合自由界面追踪方法(VOF)对无窗靶件实验工况进行了数值模拟,计算能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。     

Shell mix in the compressed core of spherical implosions

The Rayleigh-Taylor instability in its highly nonlinear, turbulent stage causes atomic-scale mixing of the shell material with the fuel in the compressed core of inertial-confinement fusion targets. The density of shell material mixed into the outer core of direct-drive plastic-shell spherical-target implosions on the 60-beam, OMEGA laser system is estimated to be 3.4(+/-1.2) g/cm(3) from time-resolved x-ray spectroscopy, charged-particle spectroscopy, and core x-ray images. The estimated fuel density, 3.6(+/-1) g/cm(3), accounts for only approximately 50% of the neutron-burn-averaged electron density, n(e)=2.2(+/-0.4)x10(24) cm(-3).     

高速摄影在流体动力学不稳定性研究中的应用

用高速摄影技术研究了高压气体膨胀驱动空气-水界面的瑞利-泰勒不稳定性,获得了空气-水界面的不稳定性清晰图像,得到气炮尖顶运动速度及湍流混合层高度增长速度与时间关系曲线。在横式激波管上用高速纹影诊断技术研究了激波作用空气-SF6界面的里克特迈耶-梅什科夫不稳定性,初步获得了实验图像,可清晰显示混合区变化过程。     

一个用于界面不稳定性实验研究的竖式激波管

 研制了一个可用于气-气界面Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性、气-液界面Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性、气-液界面RT和RM耦合不稳定性实验的竖式激波管装置,配备了相应的光学电学测量系统,给出了装置的主要技术参数,以及典型实验的压力-时间曲线。利用这套实验装置,可以精确地控制不稳定性的初始扰动界面,观测记录界面演化发展全过程。     

X光照相技术应用于果冻内爆实验的研究

果冻内爆实验是一种研究柱形汇聚条件下Rayleigh-Taylor不稳定性的实验方法,由于高速摄影图像不能分辨反弹阶段果冻内界面的扰动,因此采用中低能X光照相CCD相机接收技术开展果冻与气体混合区域的实验研究,获得了果冻环在不同时刻压缩、反弹的发展状况及其内外边界,并观测到果冻质量分数降低时果冻与气体混合界面的变化。实验结果表明:X光照相可作为测量湍流混合区域的半定量测试技术,有助于研究果冻内爆中的气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性现象。     

Direct Numerical Simulation of the Rayleigh-Taylor Instability with the Spectral Element Method

A novel method is proposed to simulate Rayleigh-Taylor instabilities using a specially-developed unsteady three-dimensional high-order spectral element method code. The numerical model used consists of Navier-Stokes equations and a transport-diffusive equation. The code is first validated with the results of linear stability perturbation theory. Then several characteristics of the Rayleigh-Taylor instabilities are studied using this three-dimensional unsteady code, including instantaneous turbulent structures and statistical turbulent mixing heights under different initial wave numbers. These results indicate that turbulent structures of Rayleigh-Taylor instabilities are strongly dependent on the initial conditions. The results also suggest that a high-order numerical method should provide the capability of simulating small scale fluctuations of Rayleigh-Taylor instabilities of turbulent flows.     

On the spectral and statistical properties of Rayleigh-Taylor mixing

Dynamics of turbulent mixing due to the Rayleigh-Taylor instability is considered. The mixing layer consists of a single horizontal array of large-scale structures. The characteristics of these structures are studied by the spectral and statistical methods. Mixing stimulation by long-wavelength noise is studied. It is demonstrated that, for typical homogeneous unscaled noise, self-similarity h∝t ² is retained. The threshold amplitude of random broadband noise is determined, below which this noise can be ignored. The mixing deceleration by the side boundaries is studied. The stimulation and deceleration effects sizably influence the mixing coefficient α₊, increasing and decreasing it, respectively.     

The evolution model of the rayleigh-taylor instability development

The turbulent mixing (TM) of different DT-fuel areas (cold with hot) and of DT-fuel with ablator is one of the deciding factors, determining the neutron yield from compressing laser fusion, and, more generally, inertial confinement fusion (ICF) targets. A lower than predicted neutron yield gained in experiments is not studied comprehensively, but can be caused by the mixing processes. A study of mixing in the ICF problem is complicated by density gradients, spherical convergence, compression, etc., so we suppose the fundamental understanding of the mixing processes must be acquired first in the problem of classical Rayleigh-Taylor (RT) instability in plain geometry. In our work we present results, obtained by the supercomputer numerical modeling of RT-induced TM processes with different initial conditions in 2D and 3D geometries conditions on a high-resolution meshes. For analysis of the modeling results we use an evolutionary model of singular perturbation development, including linear and non-linear stages. This theoretical approach allows us to obtain highly detailed view of the mixing zone evolution along with possibility to trace the initial conditions influence on the mixing late stages.     

Rayleigh-Taylor turbulence is nothing like Kolmogorov turbulence in the self-similar regime

An increasing number of numerical simulations and experiments describing the turbulent spectrum of Rayleigh-Taylor (RT) mixing layers came to light over the past few years. Results reported in recent studies allow to rule out a Kolmogorov-like turbulence as a mechanism acting on a self-similar RT turbulent mixing layer. A different mechanism is presented, which complies with both numerical and experimental results and relates RT flow to other buoyant flows.     

含尘气体Rayleigh-Taylor不稳定性诱导混合的多相浮阻力模型研究

文章首先采用单相浮阻力模型对不同加速度下Rayleigh-Taylor不稳定性诱发的物质渗透边界的演化过程进行了计算, 揭示了该混合在常加速度和变加速度情况下不同的发展规律, 并通过与实验结果的比较分析, 验证了该模型的适用性.在此基础上, 发展了多相浮阻力模型, 采用该模型对常加速度情况下含尘气体中的Rayleigh-Taylor不稳定性诱导混合进行了研究, 发现混合区宽度随着颗粒数密度和颗粒尺寸的增大而减小, 揭示了气体中所含杂质抑制混合发展的规律.