磁场对激光驱动Kelvin-Helmholtz不稳定性影响的二维数值研究

Kelvin-Helmholtz不稳定性(KHI)是流体和等离子体的基本物理过程,广泛存在于自然、天体物理以及高能量密度物理现象中.本文提出一种新的实验方案产生磁化KHI.利用开源的FLASH模拟程序对激光驱动调制靶产生的KHI进行了二维的数值模拟,考察和比较了KHI涡旋在毕尔曼自生磁场、外加磁场和无磁场情况下的演化.模拟结果表明自生磁场在KHI演化过程中基本不会改变KHI涡旋的形貌,而平行于流体方向的外加磁场对剪切流有致稳作用,主要稳定长波扰动.该研究结果可为在高能量密度激光装置中开展强磁环境下KHI实验提供理论指导.     

黏性、表面张力和磁场对Rayleigh-Taylor不稳定性气泡演化影响的理论分析

采用理论分析的方法考察了磁场中非理想流体中Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性气泡的演化过程,在与磁场垂直的平面中,综合考虑流体黏性和表面张力的影响,推导了二维非理想磁流体RT不稳定性气泡运动的控制方程组,给出了不同情况下气泡速度的渐近解和数值解,分析了流体黏性、表面张力和磁场对气泡发展的影响,分析结果表明:流体黏性和表面张力能够降低气泡速度和振幅,即能够抑制RT不稳定性;而磁场对RT不稳定性的影响是由非线性部分引起的,并且磁场非线性部分的方向决定了磁场是促进还是抑制RT不稳定性的发展,     

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     

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。     

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.     

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。     

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     

表面张力对高雷诺数Rayleigh-Taylor不稳定性后期增长的影响

采用多相流的相场格子Boltzmann方法数值研究了微通道内高雷诺数单模Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性的后期演化规律,重点分析表面张力对相界面动力学行为以及气泡与尖钉增长的影响.数值实验表明,随着界面张力的增大,可以有效降低演化过程中相界面结构的复杂程度,并抑制不稳定性后期相界面破裂形成离散液滴.另外,...     

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。     

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。     

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.     

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.      

激光烧蚀瑞利泰勒不稳定性数值研究

介绍了激光烧蚀流体不稳定性计算程序EUL3D,其计算结果与Takabe 公式、FAST2D程序和LASNEX程序的结果以及日本大阪大学激光烧蚀瑞利—泰勒(RT)不稳定性实验,都较好符合,发现了横向电子热传导烧蚀在长波长扰动的非线性瑞利—泰勒不稳定性演变中起重要作用。在合理近似下,得到了烧蚀RT不稳定性线性增长率的预热致稳公式,此公式除包含了烧蚀对流致稳和密度梯度致稳因素外,还包含了Atwood数变小致稳因素,因此与各种情况的二维计算值都很好符合。     

激光烧蚀瑞利泰勒不稳定性数值研究

 介绍了激光烧蚀流体不稳定性计算程序EUL3D,其计算结果与Takabe 公式、FAST2D程序和LASNEX程序的结果以及日本大阪大学激光烧蚀瑞利—泰勒(RT)不稳定性实验,都较好符合,发现了横向电子热传导烧蚀在长波长扰动的非线性瑞利—泰勒不稳定性演变中起重要作用。在合理近似下,得到了烧蚀RT不稳定性线性增长率的预热致稳公式,此公式除包含了烧蚀对流致稳和密度梯度致稳因素外,还包含了Atwood数变小致稳因素,因此与各种情况的二维计算值都很好符合。     

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h_b和尖钉深度h_s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f_m~$\frac{1}{2}{\mathop{\rm erf}\nolimits} \left( {4\left( {\frac{{y-{h_{\rm{s}}}}}{{{h_{\rm{b}}}-{h_{\rm{s}}}}}-\frac{1}{2}} \right)} \right) + \frac{1}{2}$.      

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.      

高阶FD-WENO格式在数值求解Rayleigh-Taylor不稳定性问题中的应用

用高阶加权本质上无振荡有限差分格式(FD-WENO),求解重力作用下高密度比二维流体界面Rayleigh-Taylor不稳定性问题及激光烧蚀Rayleigh-Taylor不稳定性问题,均获得较为理想的数值结果.     

柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟

给出了柱几何中流体力学方程组及其在数值模拟中采用的计算方法。对二维柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟,在线性阶段与线性理论符合得很好;不稳定性增长进入非线性区域的阈值依赖于界面的位置,并且明显不同于平面情况。     

柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟

 给出了柱几何中流体力学方程组及其在数值模拟中采用的计算方法。对二维柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟，在线性阶段与线性理论符合得很好；不稳定性增长进入非线性区域的阈值依赖于界面的位置，并且明显不同于平面情况。     

任意Atwood数Rayleigh-Taylor和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性气泡速度研究

本文将Layzer气泡模型推广到任意界面Atwood数情形,得到了自洽的微分方程组.该模型描述了气泡从早期的指数增长阶段到气 泡以渐近速度上升的非线性阶段的发展过程,给出了Rayleigh-Taylor(RT)和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的二维和 三维气泡速度渐近解,还求出了二维和三维RT不稳定性气泡顶点附近速度的解析解.