中國科大在流體力學界面不穩定性方面取得進展

　　近日，中國科學技術大學工程科學學院教授羅喜勝、陸夕雲等在匯聚激波誘導的流體力學界面不穩定性研究方面取得突破性進展，在國際上首次通過實驗得到了匯聚激波管中界面擾動的演化規律，發現在反射激波再次作用之前界面擾動會出現衰減，證明了在匯聚激波作用下存在輕重界面減速引起的Rayleigh-Taylor穩定性。該研究成果以Measurement of Richtmyer-Meshkov Instability at an Air-SF6 Interface in a Semiannular Shock Tube 為題於7月7日在線發表在國際物理學期刊《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.，119, 014501, 2017）上，論文第一作者為工程科學學院博士後丁舉春和副教授司廷。

　　激波誘導的流體力學界面不穩定性現象涉及十分複雜的多尺度強非線性物理問題，是可壓縮湍流機理研究的一個主要方向，也是高能量密度物理研究的一個重要內容，在慣性約束聚變、超聲速燃燒、國防尖端武器、天體物理等領域有著廣泛且重要的應用背景。比如在慣性約束核聚變中，氘氚靶丸與外殼間存在物質界面，雷射燒蝕靶丸產生向內運動的激波，激波穿過界面會引起界面擾動的增長，嚴重降低熱核燃料的溫度，甚至導致聚變點火失敗。其中激波與界面相互作用一直是未解決的重要難題之一，涉及了壓縮、剪切、湍流混合等複雜物理過程。

　　在實驗研究中，雷射慣性約束聚變、電磁套筒內爆、炸藥驅動金屬材料等方法一般耗資巨大、周期較長、診斷困難，難以大量開展，對相關的流動物理研究也帶來極大困難。目前國際上最常用的實驗研究手段是利用激波管設備產生激波並加載流體分界面，其中匯聚激波能夠實現能量匯聚，產生更強壓縮，更符合工程實際。因此，匯聚激波誘導的流體力學界面不穩定性實驗研究一直是該領域的前沿熱點和難點問題。

　　經過近幾年的攻關，研究團隊突破了「匯聚激波的產生」和「可控界面的形成」兩大關鍵技術，成功實現了匯聚激波誘導界面不穩定性的實驗研究（Phys. Fluids 27: 097102, 2015），取得系列研究進展。近期，通過巧妙設計實驗，研究人員實現了匯聚激波與不同初始振幅單模氣體界面的相互作用，首次在國際上測量了匯聚激波作用下界面擾動振幅的增長規律，並提出了相應的擾動增長物理模型，理論預測與實驗結果吻合良好。實驗發現，界面擾動的發展可以歸納為四個不同的階段：壓縮階段（I）、加速增長階段（II）、減速增長階段（III）以及振幅衰減階段（IV）。在不同階段，擾動發展受到不同物理因素的主導：在階段I，初始氣體界面受到激波壓縮，界面擾動急劇減小；在階段II，幾何匯聚效應顯著促進了擾動的增長；在階段III，輕重界面減速引起的Rayleigh-Taylor穩定性極大地抑制了界面擾動振幅的增長；在階段IV，更強的Rayleigh-Taylor穩定性使得擾動振幅快速衰減。這些發現，不僅揭示了匯聚激波誘導界面不穩定性的內在機理，為相關理論和數值研究提供可靠的實驗數據，而且有助於理解慣性約束核聚變中流體力學界面不穩定性的複雜物理過程。論文評審人一致認為該工作設計了一個極具創新性的實驗，獲得了高質量實驗數據，且得到了很有意義的分析結果。 

　　該研究得到了國家基金委傑出青年基金、國家基金委創新研究群體、博士後面上基金等的資助。

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慣性約束核聚變中的流體力學界面失穩現象[Betti R. & Hurricane O. Nature Physics, 12(5):435, 2016]

 

半環形匯聚激波管的實驗段和界面生成裝置（a），柱形匯聚激波與單模擾界面相互作用的示意圖（b）

 

　　匯聚激波衝擊下擾動振幅隨時間的變化規律：符號代表不同初始振幅的實驗結果，虛線為Bell理論曲線，點劃線為大振幅修正後的Bell理論曲線，實線為考慮Rayleigh-Taylor效應的Bell理論曲線，點線為大振幅修正後考慮Rayleigh-Taylor效應的Bell理論曲線。I：激波壓縮階段；II：加速增長階段；III：減速增長階段；IV：振幅衰減階段。