LARED-H程序的激光黑腔靶耦合数值模拟

LARED-H程序是一个可用于激光黑腔靶耦合数值模拟研究的二维辐射流体力学程序。黑腔等离子体所形成的复杂流场使单纯的拉格朗日网格在计算中产生严重扭曲，影响计算精度，并导致计算中断。拉氏加网格重分是计算激光黑腔靶耦合常用的算法。对LARED-H程序的积分网格重分方法在网格重构和物理量重映方面作了较大改进，并利用改进后的LARED-H程序模拟了“神光”-Ⅱ和“神光”-Ⅲ条件下的激光空腔靶耦合物理全过程。     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

斜入射激光平面靶耦合的数值模拟

LARED-H是一个柱对称二维三温非平衡辐射流体力学程序，主要用于黑腔物理研究，也可模拟正入射激光平面靶耦合过程，但无法模拟斜入射平面靶问题。实际上斜入射现象会经常发生，因此需要扩充LARED-H程序在直角坐标系下的功能，用于模拟斜入射激光平面靶耦合过程。引进拟直角坐标系，把直角坐标系与柱坐标系下的总体方程的差分格式统一，实现了直角坐标系下LARED-H程序的模拟能力。     

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

 研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序（MARED）的物理方案，给出了MARED程序的1维检验结果，验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明：相同负载质量条件下，钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率；相同负载电流条件下，负载质量越大，计算得到X光功率越低；X光功率随着负载电流增加而增加。     

神光II装置辐射驱动内爆对称性的研究

 对神光II条件下辐射驱动内爆的不对称性进行了二维数值模拟。模拟结果表明，靶妨内爆的不对称性对辐射温度的不均匀性非常敏感，DT平均压缩度则对其不敏感。同时，内爆不对称性对中子产额和内爆效率有一定的影响。辐射驱动内爆的不对称性可以利用辐射温度源的时间调制得到明显的改善。     

点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程数值模拟

为满足分层掺杂点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程物理分析的需求,在激光聚变二维总体程序LARED集成上发展了辐射输运建模下的多介质ALE方法-RTALE(Radiative Transfer Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)。为提高多介质ALE方法的健壮性,发展了驰豫网格重构算法,该重构算法生成的新网格能自适应流场的变化。数值模拟了激波与气柱相互作用的RM不稳定性实验,模拟的气泡变形程度与试验结果基本一致,其中驰豫网格重构算法中的驰豫因子能够很好地反映流场密度梯度。基于辐射多群输运建模的LARED集成程序能够完整模拟辐射驱动不对称性条件下掺杂点火靶二维内爆过程,克服了传统ALE方法计算不下去和算不好的困难,界面变形程度也符合物理分析。     

利用LARED-H后处理程序计算神光-Ⅱ黑腔辐射温度

编制了二维非平衡激光靶耦合程序LARED-H的后处理程序，利用LARED-H计算的黑腔内等离子体状态量，求解定态多群光子输运方程，算出到达激光入射口的辐射强度及等效辐射温度，计算结果与神光-Ⅱ黑腔实验测量结果进行了比较．     

激光靶耦合问题的二阶精度重映算法研究

 任意拉格朗日欧拉方法被认为是解决2维流体力学大变形数值模拟的有效途径之一。以激光黑腔靶耦合问题为背景，结合质量流的物理意义，提出了一种二阶守恒物理量重映的算法，并利用1维激光靶耦合程序对方法及其可行性进行了考察，结合物理问题调整网格，用较少的网格得到了与较多网格拉氏计算同样的结果。为算法在2维LARED-H程序中的应用奠定了基础。     

二维三温能量方程的差分格式及平面靶数值模拟

通过统一二维直角坐标与柱坐标下三温能量方程的差分格式,实现了LARED-H(laser radiationelectron dynamic holehurm)程序既可以模拟正入射激光平面靶过程,也可模拟斜入射平面靶问题,从而扩展了LARED-H程序的功能.使用发展后的LARED-H程序进行了直角坐标系下线聚焦打靶耦合过程数值模拟,给出了不同入射角度下靶等离子体的膨胀过程.     

二维三温流体力学高性能计算方法研究及程序研制

靶球在辐射驱动下内爆的物理过程是惯性约束聚变（ICF）研究的重要组成部分之一。由于流场的大变形和物理力学过程的复杂性，相关的数值模拟具有相当大的难度。根据研究工作的需求，符尚武等人克服了数值模拟方法上的重重困难，研制成功了二维三温流体动力学程序-LARED-I第一版。该程序是ICF数值模拟中主要的大型程序之一，在应用中取得了多方面的成果。     

不同辐射建模下球腔的整体数值模拟

不同辐射建模对于腔内辐射场描述的精确程度不同,需要分析不同建模对腔内辐射温度的影响。开展了三温建模与辐射多群输运建模下LARED集成程序数值模拟两孔球型黑腔模型,实现了球腔的完整数值模拟。数值模拟结果表明,三温与辐射多群输运模拟的等离子体状态接近,辐射温度存在差异。物理分析显示辐射温度差异的主要原因是使用的辐射不透明度,修改辐射不透明度参数后的三温计算结果与输运计算符合更好,从而可以用三温建模更快更准确地估计出所需的激光能量和功率。     

靶丸变形实验的多群扩散整体数值模拟

神光Ⅱ装置上靶丸压缩实验中,黑腔长度的变化会影响靶丸赤道和两极受到的辐照强度,从而导致燃料区被压缩成不同的形状。介绍了辐射多群扩散建模下的辐射流体力学方程组及其数值方法。采用最近研制的二维总体LARED集成程序,对神光Ⅱ不同长度黑腔靶丸压缩变形实验进行了整体数值模拟。结果表明辐射多群扩散建模可以反映腔内辐照均匀性变化情况,靶丸压缩形状与神光Ⅱ实验定性一致。     

空腔靶大变形问题的网格构造

针对ICF(Inertial Confinement Fusion)空腔靶大变形问题,发展了九点网格重构方法.拓展后的九点网格重构方法,保留了九点网格重构方法的基本特征(逼近椭圆型或抛物型方程,并具有一维球对称性),而且包含更多形式的九点网格重构方法,扩展了实际问题的使用需要.最后LARED-H程序采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法,对空腔靶进行数值模拟,给出了合理的物理图像.     

间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 为达到高密度压缩以实现点火, 对靶丸内爆对称性和黑腔辐射场均匀性有严格的要求. 为了研究内爆不对称性随腔长和时间的变化, 实验中采用了三种不同尺寸的黑腔, 利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光, 获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律, 初步判断了在三种腔型中腔长1700 μm 的黑腔较接近神光Ⅲ原型装置内爆对称性要求. 根据视角因子程序计算得到辐射流不对称性随时间变化情况, 通过一个简化的解析模型推导出内爆形变不对称性随时间变化过程, 与实验结果大致符合. 由此进一步分析了黑腔辐射场不均匀性的演化导致内爆不对称性随腔长和时间变化的物理机制. 关键词： 内爆不对称性 黑腔辐射场不均匀性 腔长 视角因子程序     

神光III主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题，研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好，但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因，提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知，三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.     

辐射场非平衡性对CH薄膜烧蚀特性的影响

 为研究辐射场非平衡性对ICF内爆靶丸辐射烧蚀效果的影响，在普朗克谱的高频区（Au的M带）叠加高斯谱人为地构造辐射源的能谱，利用1维多群辐射输运流体力学程序RDMG模拟CH薄膜的烧蚀过程，考察烧蚀压、预热、压缩比、冲击波速度等物理量受辐射场非平衡性的影响。模拟结果表明，Au的M带辐射有明显的增强预热、减小冲击波压缩比的作用，从而间接地影响了烧蚀冲击波的速度。     

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在三维三温辐射流体力学方程组求解过程中,为解决复杂的等离子体流场和难度大的三维网格计算,提出了用物理量迁移法求解方程组,并对三温能量方程采用了一种改进的显示算法。由此获得了较好的数值结果。     

神光-Ⅲ主机黑腔腔形研究与设计

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明:采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额;不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小;采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长;四环排布利于调节P4分量,但环向不对称性M4较差;椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2,P4和环向不对称性M4,且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。