HL-3装置欧姆等离子体中高频磁流体不稳定性的实验观测

在HL-3装置1MA电流等离子体欧姆放电实验期间,米尔诺夫(Mirnov)探针测量到两种高频磁流体(MHD)不稳定性。在等离子体启动阶段,电流爬升受到抑制,碘化钠探测器测量到逃逸电子增加。同时Mirnov探针测量到多分支频率f为20~400k Hz的高频MHD不稳定性。结果表明,这种不稳定性的出现与逃逸电子增加密切相关,并抑制了等离子体电流的爬升,损失了大约7%伏秒数。等离子体电流和密度爬升时,Mirnov探针测量到频率f为110~160k Hz的高频MHD不稳定性。这种不稳定性频率与芯部阿尔芬频率成正比,处于环向阿尔芬本征模频率范围。随着这种不稳定性的演化,等离子体发生了破裂。这些高频MHD不稳定性的研究对于HL-3后续放电及未来ITER的初始放电有重要的参考意义。

托卡马克理想导体壁与磁流体不稳定性

为了探索等离子体磁流体力学(MHD)不稳定性的导体壁效应以及壁设计思想,研究了基于HL-2A托卡马克偏滤器位形的、自由边界和多种形式的理想导体壁条件下的等离子体MHD不稳定性与装置MHD运行β极限.在稳定性计算中,考虑的是n=1扭曲模,该模对托卡马克等离子体MHD不稳定性有决定性的影响.研究着眼于验证多种形状导体壁抑制内、外扭曲模的有效性,观察运行β极限的变化,并讨论分析相关物理.研究发现在离等离子体适当距离处放置一个理想导体壁,可有效抑制外扭曲模.在壁与等离子体表面的平均距离相同、且足够小的条件下,圆截面壁并不一定是最佳选择,设置一个经过优化的多边形导体壁能更有效地抑制MHD不稳定性,它使本装置的理想MHD运行β极限β_(N)提高到2.73,比自由边界条件下(即假设壁设置在无穷远处的)装置的运行β极限值(~2.56)提高了约6.5%.这暗示需要根据有拉长、有变形的等离子体的极向截面形状,优化制作一个离等离子体表面平均距离尽可能近的多边形导体壁,才能取得抑制外扭曲模、提高β极限的最佳效果.

托卡马克中磁流体不稳定性与高能量离子相互作用

在托卡马克中,磁流体不稳定性与高能量离子相互作用是一个非常重要的问题,它对未来聚变堆稳态长脉冲运行至关重要。HL-2A是我国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面的托卡马克核聚变实验研究装置。撕裂模是托卡马克中的一种基本的电阻磁流体不稳定性,它可以改变磁场的拓扑结构,形成输运短路,甚至会触发大破裂。高能量离子在燃烧等离子体和各种外部辅助加热过程中是不可避免会产生的。目前,撕裂模与高能量离子相互作用依然存在一些关键性问题,例如撕裂模与高能量离子相互作用的共振关系、该物理过程导致高能量离子损失的物理机理等,并且还没有完整的关于撕裂模与高能量离子共振相互作用的数值模拟工作。因此,本综述论文主要从以下三个方面展开:1)回顾撕裂模与高能量离子相互作用的研究历史;2)基于HL-2A实验,从数值模拟的角度讨论撕裂模与高能量离子共振相互作用的物理机理以及其导致高能量离子损失的物理机制;3)展望未来聚变堆中撕裂模与高能量离子相互作用的情况。

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象(如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸)中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置(NIF)内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。

流体不稳定性实验中条纹相机像场畸变的影响

针对激光惯性约束聚变研究中的流体力学不稳定性问题,分析了X光条纹相机固有的像场畸变对惯性约束聚变研究中瑞利-泰勒不稳定性面向背光实验结果的大范围影响,利用非线性插值、非线性坐标变换及代数方法提出了针对该问题的专门的数据处理方法,并给出了一个在实际实验数据处理中的应用例子。实验表明,该方法能有效消除瑞利-泰勒不稳定性面向背光实验结果中的全局像场畸变影响。该方法结合傅里叶分析技术,较好地还原了扰动界面的真实频谱分布。

等离子体磁流体不稳定性的高精度数值模拟研究

基于有限体积法的通量差分分裂法,通过联合高阶多态黎曼求解器(HLLD)、高精度重构格式(MUSCL)和三阶总变差递减龙格-库塔格式,数值研究了平板位形下等离子体电阻磁流体不稳定性.对托卡马克等离子体双撕裂模不稳定性和等离子体磁岛合并不稳定性的研究结果表明,该算法具有精度高、数值稳定性好和运行速度快等特点.研究结果为磁流体动力学方程组的求解提供了一种新的高精度数值计算方法.

超电阻对气球模线性不稳定性影响的理论研究

在磁约束聚变等离子体中,本文将超电阻引入气球模模型,采用解析理论的方法研究其对气球模线性不稳定性的影响.推导了包含超电阻、电阻和抗磁效应的非理想气球模本征方程,分析不同条件下超电阻对气球模的作用.结果表明,超电阻会增强气球模的不稳定性,其物理机制是超电阻导致的电流扩散效应使得磁力线弯曲项对气球模的稳定作用减弱;超电阻与电阻对气球模的去稳效应存在竞争关系,当超电阻与电阻的比值较大时,超电阻的作用占主导,反则反之.超电阻的去稳效应随着环向模数增加而增强,当环向模数大于某阈值时,超电阻会使原本稳定的气球模变得不稳定,且该阈值与超电阻和电阻的比值成反比.研究结果对未来聚变堆中低碰撞率边缘等离子体中的输运改善和边缘局域模控制具有重要参考价值.

局部反磁剪切位形下高能量粒子模的线性不稳定性分析

在HL-2A装置等离子体放电参数下,模拟研究了局部反磁剪切位形时(存在具有同一安全因子值的多个有理面时)高能量粒子(EP)激发的m/n=2/1的高能量粒子模(EPM),并给出了含有EP驱动和环耦合效应的m/n>1模式的本征值方程。通过数值求解本征值方程,计算了径向模结构,并模拟了EPM增长率和模频率对于EP比压(βh)的依赖关系。计算结果表明,局部反磁剪切位形下捕获EP可以驱动全域的EPM不稳定性,其特征类似于m/n=2/1类鱼骨模,这为相关实验提供了理论解释。通过研究EP参数对模式的影响,发现随着粒子径向分布的平化,模式趋于稳定;当束注入能量增加时,强的阿尔芬连续谱阻尼将导致不稳定性增长率的减小。

激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程多层靶球各个界面发生的流体力学不稳定性是影响聚变点火成功的关键因素.为深入了解内爆过程这样不稳定性的发生、发展和它对聚变点火的影响,研制成了研究内爆多介质辐射流体力学过程的高精度二维(局部三维)大型LARED-S程序,并在长期研究实践中不断发展和改善.该程序模拟结果与不稳定性线性和弱非线性解析结果,以及非线性激波管实验结果都很好符合.应用这一程序,进行了大量数值模拟研究,结合理论模型分析,获得了大量流体力学不稳定性发展和演化的重要结果和物理规律认识.获得了具有不同密度、速度、磁场分布的Rayleigh-Taylor(RT)和Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性的线性增长率,以及它们在不可压缩条件下的弱非线性发展的解析解,表明了两者在不同Froude数、密度过渡层厚度、速度剪切层下的竞争关系;通过数值模拟,发现弱预热条件下烧蚀RT不稳定性二次谐波非线性发展导致不稳定增长尖钉(Spike)断裂的重要过程;数值模拟进一步揭露了强预热条件下,烧蚀RT不稳定性非线性发展导致不稳定增长尖钉出现射流状结构,气泡发生加速;还发现强烈的电子热传导使初始单模扰动的KH不稳定性大大削弱,然而却可能使两模扰动非线性发展增大混合尺度.在神光II激光装置上开展了一系列烧蚀RT不稳定性实验.平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响.实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像.通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据.模拟结果与实验结果相符合.神光II激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算.在上述理论和实验认识基础上,进行了ICF聚变点火靶物理研究.主要研究靶丸内外表面单球谐模扰动、辐射不对称性、内爆热斑界面不稳定性、黑腔辐射M带以及氘氚(DT)主燃料低阶模面密度不均匀性等物理过程对ICF内爆流体不稳定性的影响.对于ICF间接驱动初始烧蚀层外表面和DT冰内表面的单模粗糙度扰动和辐射驱动不对称性扰动,获得了不稳定性增长规律,提高了热斑界面扰动增长对点火影响和黑腔M带X射线能谱对内爆稳定性影响的物理认识.模拟研究表明DT主燃料面密度不均匀严重影响内爆动能转换为燃料内能的效率和内爆惯性约束时间.研究结果不仅对研究ICF内爆点火有重要参考价值,而且对发生在天体和自然界中流体不稳定性的物理本质理解会有帮助.

ICF流体力学不稳定性实验中调制传递函数的测量

在流体力学不稳定性实验中,实际X光强度分布经过成像系统后会发生改变。要准确得到实际的光强分布,必须对系统的调制传递函数进行精确地测量。通过对刀口图像分析得到了系统的线扩散函数,再对其进行傅里叶变换得到调制传递函数,最后通过维纳滤波和约束最小二乘方滤波两种方法对图像进行了重建,得到比较清晰的边界情况和图像轮廓。

同心圆排布管束流体弹性不稳定性模拟研究

流体弹性不稳定性是换热器管束振动中最重要的激振机理,对同心圆排布管束的流体弹性不稳定性研究可以为该类型换热器的设计制造及维护提供参考。基于同心圆排布的几何特点,建立了类正方形排布、过渡排布和类三角形排布3个具有代表性的物理模型,采用 ANSYSCFX软件进行了流固耦合模拟计算,获得流场信息和振动特性。通过对同心圆排布不同位置处的临界流速、主振方向进行分析,发现主振方向会随间隙流速增大,由顺流方向变为横流方向;在 3种排列中,类正方形排布区域临界流速最大,过渡排布区域临界流速最小,结果表明,同心圆排布管束中过渡排布最易失稳,在设计及工程应用中应重点关注该区域。

刚性管对正方形排布管束流体弹性不稳定性的影响研究

采用水洞试验,将中心管上下游不同位置管束改为刚性管,测定了不同流速下中心管的振动响应,研究了刚性管对正方形排布管束的流体弹性不稳定性的影响。试验结果表明,上游刚性管对中心管振动的抑制效果比下游刚性管明显。上游刚性管数量的不同对中心管振幅的影响较小,但对其临界流速的影响较大。上游刚性管间距的不同对中心管振幅和临界流速的影响不同。试验结果可为工程实践提供参考和依据。

ICF流体力学不稳定性实验用柱状激波管的研制

在惯性约束聚变(ICF)实验中,点火靶丸表面(界面)的粗糙度和缺陷所产生的流体力学不稳定性是决定点火成功与否的关键因素之一,设计和研制流体力学不稳定性分解实验用靶是解决该问题的主要技术手段。结合国内外的研究现状和神光-Ⅱ激光装置的特点,设计并研制了一种新型柱状激波管。该靶型由三种介质组成,分别为调制聚苯乙烯(CH)圆片、柱状碳气凝胶(CRF)和CH微套管。调制CH圆片和柱状CRF通过微加工技术装配到CH微套管内,封装后形成柱状激波管。介绍了该靶型的设计原理和详细的制备工艺,并对相应的靶参数进行了测量。结果表明:柱状CRF气凝胶具有较好的成型性,长度、直径和密度分别为1000μm、730μm和250mg·cm-3;CH圆片的厚度和直径分别为15μm和730μm,表面调制图形的周期和峰谷差分别为100μm和4.3μm;实验得到的柱状激波管的轴向和径向最大装配误差分别为2μm和3μm。

直接驱动柱内爆流体力学不稳定性数值模拟

给出了LARED S程序对直接驱动柱内爆流体力学不稳定性模拟的物理方程,介绍了一种直接驱动柱内爆靶的结构,给出了模拟中使用活动网格追踪和其他一些需要注意的问题。对OMEGA激光器直接驱动柱内爆实验物理模型进行了简化处理:使用理想气体状态方程,假设烧蚀层、标识层和内部填充材料为同一介质,只在密度上有差别;采用全电离和单温近似,在内爆过程中仅考虑热传导过程而忽略辐射和非局域电子热传导等过程的影响。模拟结果表明:LARED S程序与LASNEX程序的计算结果基本上符合。

小节径比管阵流体弹性不稳定性的实验研究

流体弹性不稳定性是导致换热器管束振动失效的重要原因之一。刚性管阵中一根弹性管的测试经常被用作简化方法来研究全弹性管阵的流体弹性不稳定性,但其是否适用于小节径比的管阵目前尚无一致的结论。文中采用水洞实验对节径比1.28,正方形排布的刚性管阵中一根弹性管的振动特性进行了研究,并与全弹性管阵进行对比,验证上述简化方法对于小节径比管阵的适用性,同时也对比分析了2种管阵的振动特性的区别。结果表明:对于节径比较小的管阵,不可用刚性管阵中一根弹性管的简化方法来代替全弹性管阵研究管束的流体弹性不稳定性。全弹性管阵中的管束失稳后的不稳定行为比刚性管阵中一根弹性管束更为剧烈。刚性管阵中弹性管的主振方向为横流方向,而全弹性管阵中则是一个变化的过程。实验结果为小节径比管阵的流体弹性不稳定性的研究提供参考和依据。

稀醋酸酐冷凝器流体弹性不稳定性分析

流体弹性不稳定性是最常见、最具破坏性的换热器管束激振诱因。但由于两相流的流体弹性不稳定性研究尚不成熟,国内外各个标准给出的分析方法,仍然是基于单相流的理论,尤其是临界流速的计算,并未考虑两相流流型的影响,是不完善的。文章以稀醋酸酐冷凝器为研究对象,分别采用GB/T 151—2014《热交换器》计算方法和推荐的两相流计算方法来校核管束的流体弹性不稳定性,并对不同计算方法进行对比与分析。结果表明:针对文章算例,采用GB/T 151—2014《热交换器》计算方法得到的临界速度比按两相流计算得到的临界速度高,会为换热器埋下流体弹性振动的隐患。

流体诱发换热器管束弹性不稳定性的数值模拟

针对常规换热器频发的振动破坏现象,课题组基于动网格技术和双向流固耦合方法,建立了流体诱发管束振动的三维数值模型。采用数值模拟对实验难以获得的管束振动轨迹进行了补充;研究了管束发生流体弹性不稳定性时主振方向的变化;分析了管子位置的分布对振动的影响;探究了管束的排列方式和节径比对流体弹性不稳定性的影响。结果显示:流体弹性不稳定性先发生在曳力方向,后发生在升力方向;位于边缘的管子的振幅大于中间管子的振幅;在4种排列方式的管束中,发生流体弹性不稳定性从难到易依次为正方形、正三角形、转置正方形、转置正三角形;在一定的范围内,节径比越小,越易于发生流体弹性不稳定性。课题组对换热器管束在模拟方面的研究可对工程应用起到一定的指导作用。

Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性的FCT方法数值模拟

介绍了二维流体力学不稳定性程序的ＦＣＴ数值方法，数值模拟ＲａｙｌｅｉｇｈＴａｙｌｏｒ和ＲｉｃｈｔｍｙｅｒＭｅｓｈｋｏｖ流体不稳定性，在线性阶段，与线性理论符合很好；在非线性阶段，与俄罗斯激波管实验的计算结果符合很好。计算结果表明：ＦＣＴ方法有较高计算精度，给出了不稳定性发展的好的图象，适合于ＩＣＦ烧蚀和内爆流体不稳定性问题的计算。

流体力学不稳定性的侧向背光照相

流体力学不稳定性是影响惯性约束聚变（ICF）点火的重要因素，在ICF流体力学不稳定性研究中，样品加速度和RT不稳定性非线性演化图像对检验物理模型和校验相应流体模拟程序有重要的意义。样品表面二维形貌变化是对流体不稳定性非线性演化最直观的表征。为对样品加速度和样品表面扰动形貌二维图像进行观测，需采用侧向背光照相（Side-onradiography）方法。

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。