(資料圖片)
在國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金(11625211)和湍流結(jié)構(gòu)生成與演化重大研究計劃重點項目(91952205)資助下,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)羅喜勝教授課題組近期研究發(fā)現(xiàn)激波誘導(dǎo)的氣層失穩(wěn)呈現(xiàn)了與經(jīng)典Richtmyer-Meshkov(RM)不穩(wěn)定性的不同,揭示了構(gòu)成氣層的多道界面之間的耦合以及氣層內(nèi)的反射波系對不穩(wěn)定性的影響,首次提出通過調(diào)控界面耦合強度和氣層內(nèi)的波系來實現(xiàn)對流體界面不穩(wěn)定性的有效控制。相關(guān)進展已在流體力學(xué)著名期刊Journal of Fluid Mechanics上發(fā)表4篇系列論文,并在2021年12月的國際激波學(xué)術(shù)研討會(International Colloquium on Shock Waves)以特邀報告(50分鐘)進行了介紹。
當(dāng)具有初始擾動的流體界面受激波沖擊后,界面上的擾動不斷增長, 并在演化的后期誘發(fā)湍流混合, 這種復(fù)雜的界面失穩(wěn)現(xiàn)象被稱作RM不穩(wěn)定性。RM不穩(wěn)定性一方面涉及激波動力學(xué)、湍流混合等流體力學(xué)中的重要科學(xué)問題, 另一方面在慣性約束核聚變(inertial confinement fusion,ICF)、超燃沖壓發(fā)動機、天體物理等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用背景。特別是在含多道物質(zhì)界面的ICF中, RM不穩(wěn)定性誘導(dǎo)的湍流混合被認(rèn)為是導(dǎo)致 “點火” (聚變反應(yīng)的啟動)失敗的兩大物理難題之一。因此對激波誘導(dǎo)多道界面不穩(wěn)定性的調(diào)控具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
激波管實驗是研究RM不穩(wěn)定性的有效手段,可以提供清晰的界面動態(tài)圖像和界面演化數(shù)據(jù)。然而,由于RM不穩(wěn)定性對界面初始條件極其敏感,因此產(chǎn)生初始條件可控的界面成為關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。研究人員采用雕刻技術(shù)來約束肥皂膜產(chǎn)生了初始形狀可控的氣體界面,在激波管中實驗研究了激波誘導(dǎo)雙氣層、單氣層和單界面演化特征(圖1(a)-(f)),基于穩(wěn)定性分析量化了界面耦合效應(yīng),根據(jù)氣體動力學(xué)量化了氣層內(nèi)反射波誘導(dǎo)的額外的流體力學(xué)不穩(wěn)定性。國際學(xué)者評價“該工作的實驗紋影圖片和示意圖很好地傳達了波動力學(xué)的復(fù)雜性。實驗結(jié)果得到了復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的支持和驗證”。
數(shù)字代表時間,單位是μs。
進一步地,研究人員形成了初始擾動和厚度可控的任意氣體組合的氣層,開展了一系列的激波驅(qū)動多種氣體組合的氣層實驗研究(圖2(a)-(h))。研究結(jié)果表明,通過主動設(shè)計氣層厚度和選擇氣層內(nèi)外氣體的種類,可以有效調(diào)控界面不穩(wěn)定性,從而為ICF靶丸設(shè)計提出了有益建議,如由于稀疏波的促進失穩(wěn)作用,重氣層不適合靶丸設(shè)計;而由于界面耦合的抑制失穩(wěn)作用,輕/中/重氣層更適合靶丸設(shè)計。國際學(xué)者評價 “該工作提出的重/輕雙氣層有可能減弱流體力學(xué)不穩(wěn)定性對ICF的影響的結(jié)論很有意義,將激發(fā)進一步對這個題目的研究和討論”。
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