中国科大在流体力学界面不稳定性方面取得进展

中国科学技术大学工程科学学院教授罗喜胜、陆夕云等在汇聚激波诱导的流体力学界面不稳定性研究方面取得突破性进展．在国际上首次通过实验得到了汇聚激波管中界面扰动的演化规律，发现在反射激波再次作用之前界面扰动会出现衰减，证明了在汇聚激波作用下存在轻重界面减速引起的Rayleigh-Taylor稳定性。

激光间接驱动柱几何内界面减速段的流体力学不稳定性实验研究

研究收缩几何下的流体力学不稳定性增长对于惯性约束聚变靶丸降低流体力学不稳定性增长和混合的优化设计具有重要的作用。在神光100 kJ激光装置上开展了辐射驱动柱几何内界面减速段的流体力学不稳定性实验,观测到模耦合现象,以及收缩几何独有的Bell-Plesset(BP)效应,理论预估BP效应导致的扰动增长与实验结果基本一致。实验中观察到驱动不对称性引入的2阶模扰动,M2不对称性约为11%,提出了通过增加黑腔长度来优化驱动不对称性的方法。柱几何流体力学不稳定性增长研究将有助于理解收缩几何效应在高能量密度条件下对流体力学不稳定性增长的影响,为优化惯性约束聚变靶丸设计提供帮助。

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。

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。

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。

双绝热近似下磁流体力学线性稳定性原理

本文得出了双绝热近似的磁流体力学能量积分关系式。分析表明这种磁流体力学系统是保守的，可以采用运动方程或能量原理方法分析系统的稳定性特性。本文从控制方程组出发讨论了线性稳定性的基本原理，指出纵向压力增值有助于系统的稳定性。

一类生物流体力学模型的稳定性

在研究颅内压集中参数模型的基础上,改进自适应的龙格-库塔法对一类生物流体力学模型进行数值模拟。通过合理控制计算量,得到了微分方程近似解的局部截断误差的估计。使用矩阵特征值分析微分方程的稳定性,在实际生理范围内变化模型参数,得到特征值随参数变化的关系,指出模型中存在实部为正的特征值。文章还讨论了控制矩阵特征值的变化对数值方法稳定步长的影响,并得到步长的取值范围。通过理论分析,得到控制方程的解随时间的发展和模型中生理参数的选取相关。分析了特征值变化的稳定性和参数的关系,并对模型进行改进,讨论其稳定性的情况。

一种耐高温高盐水溶性纳米流体的分散稳定性和界面活性

以一种水溶性纳米复合材料(SiO_(2)-PAMPS NPs)为研究对象,系统研究了质量分数、温度、盐度对纳米流体的分散稳定性及界面活性的影响规律。研究结果表明,SiO_(2)-PAMPS NPs流体具有良好的耐温耐盐性和降低界面张力的能力,90℃时在API盐水中最佳使用质量分数为0.7%,界面张力值从20.80 mN/m降低至11.38 mN/m,且在高质量分数NaCl盐水中,比高质量分数CaCl_(2)盐水降低油水界面张力的能力更强。该流体能与煤油形成稳定的O/W型乳状液,显示出优异的驱油性能,表明该类纳米流体在高温高盐油藏提高采收率领域具有巨大应用潜力。

磁流体力学平衡位形计算及其不稳定性模拟

论述了托卡马克等离子体磁流体力学平衡位形重建与计算、不稳定性计算与分析模拟研究中的主要技术。介绍该领域计算机模拟与仿真研究的进展与主要成果,对环流器二号托卡马克装置上典型的偏滤器位形的平衡重建及磁流体稳定性进行了模拟。

各向异性界面动力学对深胞晶生长形态稳定性的影响

本文采用匹配渐近法和多重变量法,基于深胞晶生长的定常解,在考虑了各向异性界面动力学后,导出胞晶界面扰动振幅变化率满足的色散关系式及界面形态满足的量子化条件,研究在各向异性界面动力学的影响下定向凝固过程中深胞晶生长界面形态的稳定性.结果表明,考虑了各向异性界面动力学的深胞晶体生长的定向凝固系统包含两种整体不稳定机制:整体振荡不稳定机制和低频不稳定机制.通过稳定性分析发现,低阶近似下各向异性界面动力学对整体振荡不稳定机制有着显著影响,随着各向异性界面动力学参数的增大,中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体振荡不稳定区域减小.同时,界面动力学各向异性参数对系统整体波动不稳定性的影响随着界面动力学参数的增大而增大.

含挖填界面边坡三维稳定性上限分析

针对工程实践中挖填交界面与边坡坡面走向线斜交的高边坡空间三维稳定分析问题,基于极限分析上限定理,构建拓展的三维牛角状破坏机构,通过引入机构参数挖填界面倾角α突出边坡特性,建立与之对应的功能平衡方程,采用序列二次规划优化算法求解强度折减后的边坡安全系数上限解。在此基础上,计算了宁夏黄土丘陵地区妙岭750kV变电站高边坡以及相关文献中极限状态下边坡稳定性系数γH/c工程案例,并将计算结果与有限元极限分析软件模拟值进行对比分析。结果表明:随着挖填界面倾角α的增大,边坡安全系数Fs上限解和模拟值均减小,两种方法的计算结果相对误差在5.9%以内,且拓展的破坏机构与数值模拟的剪切耗散变形模式基本一致;在极限状态下,拓展机构的上限解和数值模拟结果都十分接近于1.0,二者相对误差未超过8.3%。研究工作为此类高边坡空间稳定分析问题提供了一种简便实用的计算方法。

低密度流体界面不稳定性大涡模拟

采用拉伸涡亚格子尺度应力模型对湍流输运中的亚格子作用项进行模式化处理,发展了适用于可压多介质黏性流动和湍流的大涡模拟方法和代码MVFT(multi-viscous-flow and turbulence)。利用MVFT代码对低密度流体界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了数值模拟。详细分析了扰动界面的发展,流场中冲击波的传播、相互作用、湍流混合区边界的演化规律,以及流场瞬时密度和湍动能的分布和发展。数值模拟获得的界面演化图像和流场中波系结构与实验结果吻合较好。三维和二维模拟结果的比较显示,两者得到的扰动界面位置、波系及湍流混合区边界基本一致,只是后期的界面构型有所不同,这也正说明湍流具有强三维效应。

黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响

Rayleigh-Taylor不稳定性存在于爆炸、液滴形成和液体喷雾等工程应用过程中,是流体力学关注的经典问题之一.内空泡振荡诱导液滴界面演化问题是其研究中基本模型之一,空泡振荡作用下液滴界面发生扰动并发展,其特征形态主要表现为破碎、通气和稳定.液体黏性是影响界面不稳定性发展的重要因素,文章通过建立高精度的数值模拟方法,开展液体黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响研究.在数值模拟中,基于开源OpenFOAM框架的多相可压缩求解器直接求解Navier-Stokes方程,采用isoAdvector的几何流体体积法捕捉界面演化特征.结果表明,液体黏性的增加会减缓空泡的收缩,进而减缓液滴界面扰动的发展,该影响下通气工况液滴通气发生时间增加,而稳定工况最大扰动幅值减小.最大扰动幅值的减小直接影响了液滴的特征形态,基于一系列数值模拟结果归纳得到液滴不稳定性相图.在文章讨论的参数范围内,随着黏性增加,小液滴(R_(d0)<2 mm)的形态从破碎转变为通气进而变成稳定;中液滴(2 mm <R_(d0)<3 mm)的形态从通气转变为稳定,不出现破碎形态;而大液滴(R_(d0)> 3 mm)的形态不随液体黏性改变,液滴形态会随着液体黏性增加趋于稳定.

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明:当流体的粘度梯度方向(从小到大的方向)与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。

液压流体力学中的一个新发现──界面滑移

本文对液压流体力学中雷诺方程边界条件──固液界面无滑移的经典假设的普适性提出质疑，应用物理化学的理论论述了是否出现界面滑移的基本判据，并进行了对比试验，首次证实了在一定条件下界面上会出现滑移现象，突破了沿袭数百年的界面无滑移的经典假设。这一新发现不仅有重大的学术意义，而且对改进和提高液压元件和其他机械基础件性能将产生深远影响。

三维流体界面不稳定性的Ghost方法

Euler方法对大多数气体流动处理得很好 ,但在临近材料界面的区域出现非物理振荡 .Lagarange方法对多材料界面适用性很好 ,但它在处理大变形和大多数气体流动的涡结构却有自身的困难 .理想的稳定性强的方法是结合两种方法的长处 .利用LevelSet方法来确定界面位置 ,利用Ghost方法来确定临近界面的网格点的状态量 .采用单侧界面的熵插值技巧来捕捉适宜的界面边界条件 。

固体界面不稳定性的研究现状、应用及挑战

固体界面的不稳定性增长是武器内爆物理、惯性约束聚变点火和材料动力学行为研究等工程和科学领域中的关键物理过程,它可能导致固体表面出现轻重介质相互侵入、物质微喷射乃至湍流混合等复杂的物理现象,对其发展规律的研究具有重要的意义.本文在第二、三章分别介绍了对固体界面Richtmyer−Meshkov(RM)和Rayleigh−Taylor(RT)不稳定性发展规律的研究现状,总结了现有的不稳定性增长理论模型并探讨了其局限性.与纯流体界面不稳定性增长所不同的是,由于固体材料存在强度,其界面不稳定性发展过程中扰动增长的部分能量会被强度这一耗散因素转化为晶格的热能,从而降低扰动增长速率乃至抑制扰动增长,因此如何衡量动态加载过程中固体的强度效应成为认识其不稳定增长规律的关键.另一方面,由于固体界面不稳定性的发展结果蕴含着材料的本构、状态方程等信息,人们提出可以应用不稳定性的增长规律来获取材料的动态屈服强度、校验材料的高压本构模型和抑制不稳定性的增长,本文在第四章中对这部分内容进行了介绍,并指出建立能精确描述不稳定性增长现象与材料性质间“关联性机制”的理论模型是成功进行应用的关键.在这些基础上,本文于第五章展望了该领域存在的机遇和挑战.

相对速度对磁流体液体动密封中界面稳定性的影响

推导了旋转轴液体密封中液-液界面由于相对运动引起的切应力,从相对速度角度对液体动密封界面稳定性问题进行了研究,并对结构进行了改进,将磁流体界面的稳定性问题转化为静态扩散处理。