预热烧蚀瑞利—泰勒不稳定性射流状尖钉形成机制

论文摘要

本文针对惯性约束聚变以及天体物理射流的理论研究和实际应用,从理论和数值模拟两方面对预热烧蚀Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性射流状Spike的形成过程和物理机制开展重点研究。通过推广已有的理论,发展了RT和Kelvin-Helmholtz（KH）不稳性界面连续分布线性模型和界面间断分布弱非线性模型；利用开发的高精度数值模拟程序,研究了烧蚀流体和纯流体中RT和KH不稳定性的弱非线性模耦合和非线性演化。根据射流状Spike的演化特征,将其形成过程划分为三个阶段,并对分解物理过程进行了深入研究,结果表明预热烧蚀是RT不稳定性射流状Spike形成的直接原因。前期预热烧蚀的最主要作用是增强烧蚀面RT不稳定性的密度梯度致稳效应,增宽烧蚀面密度和速度分布。中期预热引起的烧蚀面密度和速度梯度的综合效应抑制KH不稳定性的增长。后期非线性Bubble加速进一步增加射流的长度,最终导致预热烧蚀RT不稳定性射流状Spike的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 详细摘要
• 1 绪论
• 1.1 高能量密度物理简介
• 1.1.1 惯性约束聚变
• 1.1.2 高能量密度物理
• 1.1.3 高能量密度射流
• 1.2 常见流体不稳定性简介
• 1.2.1 瑞利-泰勒不稳性
• 1.2.2 开尔文-亥姆霍兹不稳定性
• 1.2.3 瑞奇迈尔-莫西科夫不稳定性
• 1.3 矿山灾害中的岩爆与瓦斯突出
• 1.4 预热烧蚀瑞利-泰勒不稳定性国际研究现状
• 1.5 本文的目的、内容和意义
• 1.6 本文的创新点
• 2 高能量密度流体不稳定性数值模拟程序与技术
• 2.1 引言
• 2.2 物理方程组
• 2.3 数值方法
• 2.3.1 通量输运修正算法
• 2.3.2 无波动、无自由参数的耗散格式
• 2.3.3 加权本质无振荡格式
• 2.3.4 两步龙格-库塔积分算法
• 2.3.5 激光吸收
• 2.3.6 电子热传导
• 2.4 计算网格
• 2.5 边界条件
• 2.6 程序验证
• 2.7 本章小结
• 3 预热烧蚀瑞利-泰勒不稳定性数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 内爆压缩流体不稳定性
• 3.3 预热烧蚀烧蚀瑞利-泰勒不稳定性非线性演化
• 3.3.1 经典瑞利-泰勒不稳定性
• 3.3.2 预热烧蚀烧蚀瑞利-泰勒不稳定性
• 3.4 射流状尖钉形成物理过程分解
• 3.5 本章小结
• 4 界面连续分布瑞利-泰勒和开尔文-亥姆霍兹不稳定性线性模型
• 4.1 引言
• 4.2 二阶本征方程
• 4.3 瑞利-泰勒不稳定性色散关系
• 4.4 开尔文-亥姆霍兹不稳定性色散关系
• 4.4.1 密度过渡层厚度
• 4.4.2 速度剪切层厚度
• 4.4.3 密度过渡层和速度剪切层厚度
• 4.4.4 结果讨论
• 4.5 瑞利-泰勒和开尔文-亥姆霍兹不稳定性之间的竞争
• 4.5.1 密度过渡层厚度
• 4.5.2 速度剪切层厚度
• 4.5.3 密度过渡层和速度剪切层厚度
• 4.5.4 结果讨论
• 4.6 本章小结
• 5 界面间断分布瑞利-泰勒和开尔文-亥姆霍兹不稳定性弱非线性模型
• 5.1 引言
• 5.2 瑞利-泰勒不稳定性
• 5.2.1 弱非线性模型
• 5.2.2 与数值模拟结果的对比
• 5.2.3 结果分析与讨论
• 5.3 开尔文-亥姆霍兹不稳定性
• 5.3.1 弱非线性模型
• 5.3.2 与数值模拟结果的对比
• 5.3.3 结果分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 6 弱非线性纯流体瑞利-泰勒不稳定性密度过渡层厚度效应
• 6.1 引言
• 6.2 模拟程序和基本流
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 7 弱非线性预热烧蚀瑞利-泰勒不稳定性
• 7.1 引言
• 7.2 模拟程序与初始设置
• 7.2.1 控制方程
• 7.2.2 数值方法
• 7.2.3 初始条件
• 7.3 谐波分析方法
• 7.4 结果与讨论
• 7.4.1 烧蚀效应
• 7.4.2 密度过渡层厚度效应
• 7.5 本章小结
• 8 线性和弱非线性烧蚀开尔文-亥姆霍兹不稳定性
• 8.1 引言
• 8.2 物理模型和模拟程序
• 8.3 一维模拟结果
• 8.4 线性增长率和频率
• 8.5 弱非线性结果
• 8.6 本章小结
• 9 非线性烧蚀开尔文-亥姆霍兹不稳定性
• 9.1 引言
• 9.2 模拟程序与初始设置
• 9.2.1 控制方程
• 9.2.2 数值方法
• 9.2.3 初始设置
• 9.3 结果与分析
• 9.3.1 单模扰动
• 9.3.2 两模扰动
• 9.4 本章小结
• 10 非线性预热烧蚀瑞利-泰勒不稳定性
• 10.1 引言
• 10.2 模拟程序与基本流
• 10.3 尖钉减速和气泡加速
• 10.4 本章小结
• 11 激光烧蚀瑞利-泰勒不稳定性
• 11.1 引言
• 11.2 模拟程序
• 11.3 射流形成
• 11.4 本章小结
• 12 总结和展望
• 12.1 本文主要研究内容及结论
• 12.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 在学期间发表的学术论文
• 在学期间参加科研项目
• 主要获奖