托卡马克中磁流体不稳定性与高能量离子相互作用

在托卡马克中,磁流体不稳定性与高能量离子相互作用是一个非常重要的问题,它对未来聚变堆稳态长脉冲运行至关重要。HL-2A是我国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面的托卡马克核聚变实验研究装置。撕裂模是托卡马克中的一种基本的电阻磁流体不稳定性,它可以改变磁场的拓扑结构,形成输运短路,甚至会触发大破裂。高能量离子在燃烧等离子体和各种外部辅助加热过程中是不可避免会产生的。目前,撕裂模与高能量离子相互作用依然存在一些关键性问题,例如撕裂模与高能量离子相互作用的共振关系、该物理过程导致高能量离子损失的物理机理等,并且还没有完整的关于撕裂模与高能量离子共振相互作用的数值模拟工作。因此,本综述论文主要从以下三个方面展开:1)回顾撕裂模与高能量离子相互作用的研究历史;2)基于HL-2A实验,从数值模拟的角度讨论撕裂模与高能量离子共振相互作用的物理机理以及其导致高能量离子损失的物理机制;3)展望未来聚变堆中撕裂模与高能量离子相互作用的情况。     

高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟

本文采用相场格子Boltzmann方法研究了竖直微通道内中等Atwoods数流体的单模Rayleigh-Taylor不稳定性问题,系统分析了雷诺数对相界面动力学行为以及扰动在各发展阶段演化规律的影响.数值结果表明高雷诺数条件下,不稳定性界面扰动的增长经历了四个不同的发展阶段,包括线性增长阶段、饱和速度阶段、重加速阶段及混沌混合阶段.在线性增长阶段,我们计算获得的气泡与尖钉振幅符合线性稳定性理论,并且线性增长率随着雷诺数的增加而增大.在第二个阶段,我们观察到气泡与尖钉将以恒定的速度增长,获得的尖钉饱和速度略高于Goncharov经典势能模型的解析解[Phys.Rev.Lett.200288134502],这归因于系统中产生了多个尺度的旋涡,而涡之间的相互作用促进了尖钉的增长.随着横向速度和纵向速度的差异扩大,气泡和尖钉界面演化诱导产生的Kelvin–Helmholtz不稳定性逐渐增强,从而流体混合区域出现许多不同层次的涡结构,加速了气泡与尖钉振幅的演化速度,并在演化后期阶段,导致界面发生多层次卷起、剧烈变形、混沌破裂等行为,最终形成了非常复杂的拓扑结构.此外,我们还统计了演化后期气泡与尖钉的无量纲加速度,发现气泡和尖钉的振幅在后期呈现二次增长规律,其增长率系数分别为0.045与0.233.而在低雷诺条件下,重流体在不稳定性后期以尖钉的形式向下运动而轻流体以气泡的形式向上升起.在整个演化过程中,界面变得足够光滑,气泡与尖钉在后期的演化速度接近于常数,未观察到后期的重加速与混沌混合阶段.     

圆柱形汇聚激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定的SPH模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.     

薄膜沿加热平板下落的稳定性分布

本文分析了薄膜沿加热平板下落的稳定性。在时间模式下，发现流动的不稳定性是由表面波不稳定和加毛细不稳定构成的，同时当流体的热扩散越大以及界面热量损失越小时，热毛细不稳定越剧烈，在时空模式下，流动随着Marangoni数的增大。流动有可能从对流不稳定过渡到绝对不稳定，这一结论尚待实验验证。     

圆柱尾流的绝对不稳定性

在水槽和低湍流度水洞中进行亚临界雷诺数圆柱尾流稳定性实验来流速度由零缓慢增长到一定值后保持不变,稳定足够长时间后,在流向某站位处给流场一个有限幅值的脉冲扰动,测量扰动前后相当长时间内下游尾流速度信号的变化情况当雷诺数处于高亚临界值时,未受扰动的尾流速度脉动很小,处于定常状态,但对近尾流进行脉冲扰动后,能够激发出不衰减的旋涡脱落发现扰动位置限制在圆柱后一定范围内才能有效,再往下游则扰动随时间衰减．说明圆柱近尾流中存在一个绝对不稳定区,在该区域内的扰动将在当地放大,经过复杂的演化,最后形成不衰减的旋涡脱落.     

垂直激励圆柱形容器中的表面波特性研究

利用奇异摄动理论的两时间变量展开法，研究了垂直强迫激励圆柱形容器中的单一水表面驻波模式。假设流体是无粘、不可压且运动是无旋的，在忽略了表面张力的影响下，得到一个具有立方项以及底部驱动项影响的非线性振幅方程。对上述方程进行了数值计算，并研究了特定(3，4)模式的表面驻波结构和特性，如驻波的节点分布及随某些参数的变化规律等，从计算的等高线的图象来看，和以往的实验结果相当吻合。     

间接驱动冷冻双壳层点火靶的设计和分析

双壳层靶中,由于燃料被高Z壳层包裹,其点火方式要求燃料整体点火,不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识,设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚(DT)燃料,可适当提高双壳层靶的燃料装量,获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下,X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层,把能量传递给内壳层,进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键,通过调整内外壳层的质量比,提高了碰撞效率,相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时,也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应,即辐射冲击波的致稳效应,能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展,进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。     

激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。     

布置方式对U型管不稳定性的影响

从实验和理论两方面研究了不同布置方式对加热Ｕ型管不稳定性的影响。实验在氟利昂－１１３试验台上进行，研究了不同布置Ｕ型管在三种压力工况，六种加热工况及各种流量下的流动不稳定性。理论研究得出了系统稳定性的判据，比较了不同布置方式Ｕ型管的脉动起始边界；并对实际工业现场的Ｕ型管布置方式进行了模拟数值计算，比较了在较高系统压力下不同布置方式Ｕ型管的脉动起始边界     

k-D-a-B 模型和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性的数值模拟

给出一个适用于流体力学数值模拟的湍流混合模型。由于引入湍流质量通量和密度脉动关联量的演化方程，它比一般的ｋ－模型能更准确地描述界面不稳定性引起的可压缩湍流混合过程，并且可以不需要人为给定初始湍流场。我们用同一套参数模拟了不同Ａｔｗｏｏｄ数的激波管实验，数值结果与实验基本一致。