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。

     

辐射烧蚀界面的单模Rayleigh-Taylor不稳定性分析

首先对惯性约束聚变(ICF)遇到的流体力学界面不稳定性作了简要的分析;其次讨论了Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性在ICF中所起的作用;第三,根据一维数值计算结果,按照考虑密度梯度和烧蚀致稳的RT不稳定性增长的定标规律对不稳定性增长作了估计。最后在计算结果的讨论中,对有关实验测量提出某些倾向性的建议。     

界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响

将具有简单速度势的Layzer模型和Zufiria模型推广至非理想流体情况, 并分别利用这两种模型研究了界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响. 首先得到了两种模型下气泡的渐近速度和渐近曲率的解析表达式; 其次系统研究了界面张力对气泡的渐近速度和渐近曲率的影响; 最后将两种模型进行了比较, 并将气泡的渐近速度和数值模拟进行了比较. 研究表明: 界面张力压低了气泡的速度, 但对曲率没有影响; 利用简单速度势的Layzer模型所得的气泡的渐近速度比复杂速度势的Layzer模型的值小, 但是比Zufiria模型的值大; 当阿特伍德数等于1时, 简单速度势的Layzer模型和复杂速度势的Layzer模型给出的结果一致.关键词：Rayleigh-Taylor不稳定性界面张力Layzer模型Zufiria模型     

ICF研究中的Rayleigh-Taylor不稳定性实验用靶

 概述了当前研究Rayleigh-Taylor不稳定性增长实验所用的靶型情况。从实验用靶来看,调制靶的设计正从平面向立体发展,出现了球形和柱形等新靶形,制备手段包括精密机械微加工、激光束、电子束和离子束加工、半导体工艺和微米纳米技术加工等。根据对国外新靶型的研究,结合国内工艺条件和实验需求,对国内可能采用的靶型进行了研究探索。     

非理想流体中Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性气泡速度研究

在随气泡顶端运动的坐标系中, 通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况, 研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor (RT)和Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性气泡速度的影响. 首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程 (自洽的微分方程组); 其次给出了二维平面坐标和三维柱坐标中气泡速度的数值解和渐近解, 并定量分析了流体黏性和表面张力对RT和RM气泡速度和振幅的影响. 结果表明: 从线性阶段到非线性阶段的全过程中, 非理想流体中的气泡速度和振幅小于理想流体中的气泡速度和振幅. 也就是说, 流体黏性和表面张力对RT和RM不稳定性的发展都具有致稳作用.关键词：Rayleigh-Taylor不稳定性Richtmyer-Meshkov不稳定性气泡速度非理想流体     

磁场对激光驱动Rayleigh-Taylor不稳定性影响的数值研究

Rayleigh-Taylor不稳定性(RTI)作为流体和等离子体中基础的物理现象,在天体物理、空间物理以及工程领域扮演着重要角色.尤其在惯性约束核聚变(ICF)研究中, RTI等宏观流体不稳定性是不可回避的物理问题.本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对激光驱动调制靶产生的RTI进行了二维的数值模拟,系统地考察和比较了RTI在无磁场、Biermann自生磁场、不同外加磁场情况下的演化.模拟结果表明, Biermann自生磁场和平行流向的外加磁场在RTI演化过程中基本不会改变RTI的界面动力学,而垂直流向的外加磁场对RTI以及RTI尖钉尾部的Kelvin-Helmholtz涡旋有致稳作用,其中磁压力起主导作用.研究结果为后续开展和ICF相关的靶物理研究提供借鉴,也有助于加深对流体混合过程的理解.     

Rayleigh-Taylor不稳定性弱非线性阶段界面效应对谐波的影响

为了更好地理解不同空间坐标系下流体界面对Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性弱非线性阶段谐波的影响,文章采用3阶小扰动展开法,解析研究了球坐标空间经典RT不稳定性弱非线性阶段谐波的演化规律,并和柱坐标空间以及直角坐标空间相应结果进行了对比研究.当球坐标系和直角坐标系中RT不稳定性界面扰动波长相同,球坐标系中初始扰动半径为无穷大时（即球坐标下RT不稳定性初始扰动半径相对于扰动波长为无穷大时）,球坐标下RT不稳定性前4次谐波的结果和直角坐标系下的相应结果相同.研究表明:由初始界面曲率引起的Bell-Plesset（BP）效应和空间效应（直角坐标空间、柱坐标空间和球坐标空间）对谐波发展有较大的影响.即在不同正交曲线坐标系下,不同曲率的流体界面效应对RT不稳定性谐波发展有较大的影响.对于柱坐标空间和球坐标空间,2阶对0次谐波的反馈加强了界面向内收缩.研究还表明:界面效应增加了2次谐波的负反馈,然而,对于基模和3次谐波却有不同的影响.      

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.      

Rayleigh-Taylor不稳定性的Runge-Kutta间断有限元模拟

采用发展后的间断有限元方法,对Rayleigh-Taylor不稳定性进行了数值模拟。在计算中采用Level-Set方法进行界面追踪,用虚拟流体方法（Ghost Fluid Method,GFM）对界面附近物理量进行等压装配。对两个典型的Rayleigh-Taylor不稳定性算例的数值研究结果表明,采用该方法计算含有接触间断的多介质流体力学问题是有效的,在交界面附近不出现伪振荡,具有较高的分辨率。     

掺杂对CH样品Rayleigh-Taylor不稳定性增长的影响

在神光II激光装置上进行了辐射驱动不同掺杂样品的单模Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验.结果显示:与纯碳氢(CH)样品相比,掺Br的CH样品的扰动更早、更快地进入非线性区,产生二次谐波,并且掺Br比例越高,CH样品扰动进入非线性区的时间越早,相同时刻扰动的二次谐波的幅度越高.这是因为密度梯度效应抑制了二次谐波的产生,掺Br比例越高,密度梯度标长越小;同时密度梯度效应还抑制三次谐波对基模增长的负反馈,造成基模具有更大的线性增长,导致线性饱和幅值大于经典值0.1λ.     

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。     

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。     

二维Rayleigh-Taylor不稳定性组分剖面与Atwood数相关性

由Rayleigh-Taylor不稳定性引起的湍流混合广泛存在于自然现象和工程应用中.在重力场作用下,将重流体置于轻流体之上,系统处于平衡状态.此时,在轻重流体界面处添加微小扰动,重流体向下形成尖钉,轻流体向上形成气泡,轻重流体进入湍流混合状态,系统失去稳定状态,进入失稳过程.组分剖面揭示了流场在任意时刻任意高度上的成分,从而揭示了Rayleigh-Taylor不稳定性的发展过程.利用计算流体力学软件CFD2模拟常加速度场下二维多模Rayleigh-Taylor不稳定性的发展,研究了重流体组分剖面随Atwood数的变化.文章对比了Atwood数为0.1,0.5,0.9这3种情况下质量分数剖面.在利用气泡高度hb和尖钉深度hs对高度做归一化之后,质量分数剖面不依赖于密度比.在不同密度比下,质量分数曲线都满足fm^1/2erf[4(y-hs/hb-hs-1/2)]+1/2.     

耦合界面张力的三维流体界面不稳定性的格子Boltzmann模拟

采用介观格子Boltzmann方法模拟界面张力作用下三维流体界面的Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的增长过程,主要分析表面张力对流体界面动力学行为及尖钉和气泡后期增长的影响机制.首先发现三维RT不稳定性的发生存在临界表面张力(σ_c),其值随着流体Atwood数的增大而增大,且数值预测值与理论分析结果σ_c=(ρ_h-ρ₁)g/k~2一致.另外,随着表面张力的增大,不稳定性演化过程中界面卷吸程度和结构复杂性逐渐减弱,系统中界面破裂形成离散液滴的数目也显著减少.相界面的后期动力学行为也从非对称发展转向始终保持关于中轴线对称.尖钉与气泡振幅在表面张力较小时对其变化不显著,当表面张力增大到一定值后,可以有效地抑制尖钉与气泡振幅的增长.进一步发现,高雷诺数三维RT不稳定性在不同表面张力下均经历4个不同的发展阶段:线性阶段、饱和速度阶段、重加速和混沌混合阶段.尖钉与气泡在饱和速度阶段以近似恒定的速度增长,其渐进速度的值与修正的势流理论模型结果一致.受非线性Kelvin-Helmholtz旋涡的剪切作...     

多模态RM不稳定性对初始扰动条件的依赖性分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT,对多次冲击作用下的三维多模态Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展及其对初始扰动条件的依赖性进行了数值模拟分析。湍流混合区宽度在初始冲击后以幂次律增长,在反射冲击后和第一次反射稀疏波作用后,以具有不同增长因子的指数规律增长,在第一次反射压缩波作用后近似以线性规律增长; 而湍流混合区统计量则以类似的规律衰减。多模态RM不稳定性发展对初始扰动条件有很强的依赖性,主要体现在初始冲击后至反射冲击前和反射冲击后至第一次反射稀疏波作用前这两个阶段,即在第一次反射稀疏波作用后,湍流混合区的发展逐渐失去对初始扰动条件的记忆。

     

“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。

     

R-T界面不稳定性及湍流混合的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究R-T(Rayleigh Taylor)不稳定性,显示了不稳定发展的小扰动阶段、变形阶段、规则非线性阶段、不规则非线性阶段和湍流混合阶段界面演化与特征,分析了湍流混合层厚度增长的规律,同时还研究了湍流二阶相关量如动量、质量和能量通量在大尺度和亚格子尺度所占分量,验证了LES方法是处理R-T界面不稳定性和湍流混合的一种有效方法.     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1 mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。     

Assembling Stabilization of the R-T Instability by the Effects of Finite Larmor Radius and Sheared Axial Flow

In the present paper, based on the incomepressible finite Larmor radius （FLR） magnetohydrodynamic （ MHD ） equations, we consider the stabilizing effect of the finite Larmor radius on the Rayleigh-Taylor （ RT ） instability in implosions of annular Z-pinch plasma. Here, the FLR is considered as a type of viscositytll, independent of any collisions （i.e., collisionless viscosity, or gyrouiscosity ）. Since we are introducing a sheared velocity,