静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

Optimization of the Doped Ablator Layers for the Plastic Ignition Capsule

The paper investigates theoretically the optimization of the doped ablator layers for the plastic ignition capsule. The high-resolved one-dimensional implosion simulations show that the inner pure CH layer of the Si-doped design is excessively preheated by the hard x-ray, leading to the unstable ablator-fuel interface compared to the Ge-doped capsule. This is because that the Si K-shell absorption edge (1.8 keV) is higher than the Ge L-edge (1.3 keV), and Si dopant makes more hard x-ray penetrate through the doped ablator layers to preheat the inner pure CH layer. So an optimization of the doped ablator layers (called "Si/Ge capsule") is performed: an Si-doped CH layer is placed next to the outer pure CH layer to keep the high implosion velocity; next to the Si-doped layer is a thin Ge-doped layer, in order to absorb the hard x-ray and protect the inner undoped CH-layer from excessively preheating. The simulations show that the Si/Ge capsule can effectively improve hydrodynamic stability at the ablator-fuel interface while keeping the high implosion velocity.     

电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用

磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式,在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景.在特定加载条件下,套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为,而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围.通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念,利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则;将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算,分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对,表明在大径厚比和低线电流密度加载下,利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.     

耦合界面计算格式的一维流体力学Lagrange有限点方法

为探索高维多介质流体力学散乱点集上的Lagrange有限点方法,首先对相应一维问题进行研究,提出一种Lagrange有限点方法:在计算区域内(包括物质界面)设置任意离散点集,所有力学量都设在该点集上,在内点和界面点上分别建立离散格式.内点算法为基于Taylor展开的差分方法.界面点算法为显式追踪算法,从定解条件出发,利用Rankine-Hugoniot关系和特征差分方法,计算界面点位置及相应的状态量变化.通过追踪界面点的运动得到物质界面是方法的最大特色.典型算例计算结果与精确解符合很好,验证了算法的合理和有效性.     

A RKDG finite element method for the one-dimensional inviscid compressible gas dynamics equations in Lagrangian coordinate

In this paper, Runge-Kutta Discontinuous Galerkin (RKDG) finite element method is presented to solve the one-dimensional inviscid compressible gas dynamic equations in Lagrangian coordinate. The equations are discretized by the DG method in space and the temporal discretization is accomplished by the total variation diminishing Runge-Kutta method. A limiter based on the characteristic field decomposition is applied to maintain stability and non-oscillatory property of the RKDG method. For multi-medium fluid simulation, the two cells adjacent to the interface are treated differently from other cells. At first, a linear Riemann solver is applied to calculate the numerical flux at the interface. Numerical examples show that there is some oscillation in the vicinity of the interface. Then a nonlinear Riemann solver based on the characteristic formulation of the equation and the discontinuity relations is adopted to calculate the numerical flux at the interface, which suppress the oscillation successfully. Several single-medium and multi-medium fluid examples are given to demonstrate the reliability and efficiency of the algorithm.     

An RKDG finite element method for the one-dimensional inviscid compressible gas dynamics equations in a Lagrangian coordinate

In this paper,Runge-Kutta Discontinuous Galerkin(RKDG) finite element method is presented to solve the onedimensional inviscid compressible gas dynamic equations in a Lagrangian coordinate.The equations are discretized by the DG method in space and the temporal discretization is accomplished by the total variation diminishing Runge-Kutta method.A limiter based on the characteristic field decomposition is applied to maintain stability and non-oscillatory property of the RKDG method.For multi-medium fluid simulation,the two cells adjacent to the interface are treated differently from other cells.At first,a linear Riemann solver is applied to calculate the numerical ?ux at the interface.Numerical examples show that there is some oscillation in the vicinity of the interface.Then a nonlinear Riemann solver based on the characteristic formulation of the equation and the discontinuity relations is adopted to calculate the numerical ?ux at the interface,which suppresses the oscillation successfully.Several single-medium and multi-medium fluid examples are given to demonstrate the reliability and efficiency of the algorithm.     

一种基于多矩的有限体积浸入边界法

基于多矩VSIAM3格式及浸入边界法,提出一套在复杂计算区域内求解不可压缩流动的数值格式.不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行离散,引入浸入边界法处理复杂、移动边界,使用虚拟网格方法计算动量方程修正项,同时还考虑了对连续方程的修正.使用标准算例对数值模式进行验证.     

利用Ghost Fluid方法模拟激波与柱形界面相互作用

利用GhostFluid方法(后面简称Ghost方法)和γ-model方法,在同样的时空离散精度条件下,对激波与柱形界面相互作用的二维可压缩流场进行了直接模拟,并与实验结果相比较.从模拟结果看,在短时间内,Ghost方法和γ-model方法模拟的结果与实验结果基本相同,两种方法均正确地模拟出界面的位置、激波的强度和速度.但随着时间的发展,具有较大数值耗散的γ-model方法的计算结果与实验差别越来越大;而数值耗散较小的Ghost方法能较为正确地模拟界面的运动.     

一维多介质可压缩流动数值方法

应用高精度界面追踪方法计算一般状态方程的多介质可压缩流动问题;应用LevelSet技术捕捉界面位置,在界面附近采用守恒数值离散,用双波近似求解一般状态方程Riemann问题,并采用统一高阶PPM格式进行内点和交界面点的计算.一维算例表明,该方法对于光滑区域以及多介质交界面具有二阶精度,能准确地模拟交界面的位置,交界面计算无数值振荡和数值耗散,并能处理一般状态方程的多介质可压缩流动问题.     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

Adaptive solution techniques for simulating underwater explosions and implosions

Adaptive solution techniques are presented for simulating underwater explosions and implosions. The liquid is assumed to be an adiabatic fluid and the solution in the gas is assumed to be uniform in space. The solution in water is integrated in time using a semi-implicit time discretization of the adiabatic Euler equations. Results are presented either using a non-conservative semi-implicit algorithm or a conservative semi-implicit algorithm. A semi-implicit algorithm allows one to compute with relatively large time steps compared to an explicit method. The interface solver is based on the coupled level set and volume-of-fluid method (CLSVOF) [M. Sussman, A second order coupled level set and volume-of-fluid method for computing growth and collapse of vapor bubbles, J. Comput. Phys. 187 (2003) 110–136; M. Sussman, E.G. Puckett, A coupled level set and volume-of-fluid method for computing 3D and axisymmetric incompressible two-phase flows, J. Comput. Phys. 162 (2000) 301–337]. Several underwater explosion and implosion test cases are presented to show the performances of our proposed techniques.     

广角任意反射面速度干涉仪条纹内爆对称性分析

提出在条纹相机前加载异形光纤面板或环转线光纤传像束实现广角任意反射面速度干涉仪（VISAR）条纹采样的诊断设计,发现采样位置坐标处于靶面某圆上。综合运用坐标变换、傅里叶变换、勒让德展开等方法提取广角VISAR条纹相位实现内爆对称性分析,并通过示例验证了其可行性。针对诊断方法的特点、光路设计、装置研发、数据处理等展开讨论,指出广角VISAR诊断内爆对称性的发展方向。运用该方法记录并分析广角VISAR条纹数据,可使靶丸内爆对称性诊断准确、直观、形象,能为惯性约束聚变中激光等离子体不稳定性、流体不稳定性等研究提供支撑。     

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.     

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。     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.     

使用界面追踪对膜态沸腾的数值研究

提出一种计算带相变的自由界面的数值算法.基于分段线性界面重构(PLIC)的VOF(volume-of-fluid)方法用于追踪自由界面,并对汽液交界面上的相变导致的不连续速度场给出处理方法.此方法容易实施且被证明是有效的.流场的求解使用SIMPLE方法,表面张力使用连续表面力模型(CSF)进行计算.在三维直角坐标系下,模拟了水平壁面上的膜态沸腾,在二维适体坐标系下,模拟了竖直圆头柱体表面的自然对流膜态沸腾.计算结果与理论关系式符合较好.     

SPH方法气-液界面边界条件研究

针对界面附近粒子光滑函数截断和非物理穿透问题,提出一种气-液界面边界条件的处理方法.当界面附近支持域出现不同材料粒子,每步计算可在支持域设置虚粒子,按照密度分配方法给虚粒子物理量赋值,并对界面附近粒子引入气-液两相阻力.采用SPH方法和Level-Set方法,计算运动激波对气-液界面作用问题,两者计算结果一致,初步验证了气-液界面边界条件处理的适用性.用SPH方法分别计算超声速气流中的圆截面液柱绕流和下落问题,界面两侧粒子压力和法向速度连续,给出弓形激波、回流区和下游回流区等定性合理结果.表明本文方法可适度避免界面附近流体粒子光滑截断和粒子非物理穿透现象、界面附近流场数值振荡.     

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2 ns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。     

Numerical simulation of premixed combustion using an enriched finite element method

In this paper we present a novel discretization technique for the simulation of premixed combustion based on a locally enriched finite element method (FEM). Use is made of the G-function approach to premixed combustion in which the domain is divided into two parts, one part containing the burned and another containing the unburned gases. A level-set or G-function is used to define the flame interface separating burned from unburned gases. The eXtended finite element method (X-FEM) is employed, which allows for velocity and pressure fields that are discontinuous across the flame interface. Lagrange multipliers are used to enforce the correct essential interface conditions in the form of jump conditions across the embedded flame interface. A persisting problem with the use of Lagrange multipliers in X-FEM has been the discretization of the Lagrange multipliers. In this paper the distributed Lagrange multiplier technique is adopted. We will provide results from a spatial convergence analysis showing good convergence. However, a small modification of the interface is required to ensure a unique solution. Finally, results are presented from the application of the method to the problems of moving flame fronts, the Darrieus–Landau instability and a piloted Bunsen burner flame.     

Z箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型