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科研进展

2022年10月31日
中国科大在流体界面不稳定性的调控方面取得新进展

在国家自然科学基金委杰出青年基金(11625211)和湍流结构生成与演化重大研究计划重点项目(91952205)资助下,中国科学技术大学罗喜胜教授课题组近期研究发现激波诱导的气层失稳呈现了与经典Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的不同,揭示了构成气层的多道界面之间的耦合以及气层内的反射波系对不稳定性的影响,首次提出通过调控界面耦合强度和气层内的波系来实现对流体界面不稳定性的有效控制。相关进展已在流体力学著名期刊Journal of Fluid Mechanics上发表4篇系列论文,并在2021年12月的国际激波学术研讨会(International Colloquium on Shock Waves)以特邀报告(50分钟)进行了介绍。

当具有初始扰动的流体界面受激波冲击后,界面上的扰动不断增长, 并在演化的后期诱发湍流混合, 这种复杂的界面失稳现象被称作RM不稳定性。RM不稳定性一方面涉及激波动力学、湍流混合等流体力学中的重要科学问题, 另一方面在惯性约束核聚变(inertial confinement fusion,ICF)、超燃冲压发动机、天体物理等领域有着广泛而重要的应用背景。特别是在含多道物质界面的ICF中, RM不稳定性诱导的湍流混合被认为是导致 “点火” (聚变反应的启动)失败的两大物理难题之一。因此对激波诱导多道界面不稳定性的调控具有重要的学术意义和应用价值。

激波管实验是研究RM不稳定性的有效手段,可以提供清晰的界面动态图像和界面演化数据。然而,由于RM不稳定性对界面初始条件极其敏感,因此产生初始条件可控的界面成为关键技术瓶颈。研究人员采用雕刻技术来约束肥皂膜产生了初始形状可控的气体界面,在激波管中实验研究了激波诱导双气层、单气层和单界面演化特征(图1(a)-(f)),基于稳定性分析量化了界面耦合效应,根据气体动力学量化了气层内反射波诱导的额外的流体力学不稳定性。国际学者评价“该工作的实验纹影图片和示意图很好地传达了波动力学的复杂性。实验结果得到了复杂数学模型的支持和验证”。

图1.激波诱导界面演化纹影图:(a)-(b)双气层,(c)-(d)单气层,(e)-(f)单界面。

数字代表时间,单位是μs。

进一步地,研究人员形成了初始扰动和厚度可控的任意气体组合的气层,开展了一系列的激波驱动多种气体组合的气层实验研究(图2(a)-(h))。研究结果表明,通过主动设计气层厚度和选择气层内外气体的种类,可以有效调控界面不稳定性,从而为ICF靶丸设计提出了有益建议,如由于稀疏波的促进失稳作用,重气层不适合靶丸设计;而由于界面耦合的抑制失稳作用,轻/中/重气层更适合靶丸设计。国际学者评价 “该工作提出的重/轻双气层有可能减弱流体力学不稳定性对ICF的影响的结论很有意义,将激发进一步对这个题目的研究和讨论”。

图2.激波诱导气层演化纹影图:(a)-(b)重气层,(c)-(d)轻气层,(e)-(f)轻/中/重气层,

(g)-(h)重/中/轻气层。

相关论文列表及连接:

1)Y. Liang and X. Luo. On shock-induced heavy-fluid-layer evolution. J. Fluid Mech., 920, A13, 2021.https://doi.org/10.1017/jfm.2021.438

2)Y. Liang and X. Luo. Shock-induced dual-layer evolution. J. Fluid Mech., 929, R3, 2021. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.903

3)Y. Liang and X. Luo. On shock-induced light-fluid-layer evolution. J. Fluid Mech., 933, A10, 2022. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.1066

4)Y. Liang and X. Luo. On shock-induced evolution of a gas layer with two fast/slow interfaces. J. Fluid Mech., 939, A16, 2022. https://doi.org/10.1017/jfm.2022.213

(工程科学学院、科研部)

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