非局域传热下的烧蚀瑞利-泰勒不稳定性

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人类已知的宇宙当中绝大多数物质的存在形式都是高能量密度状态(能量密度大于105J/cm3)。高能量密度流体普遍存在于天体物理过程和许多重要的国防和工程应用中,例如超新星爆炸和惯性约束聚变(ICF),其不可避免地涉及流体密度的变化以及被加速的不同密度流体的界面。流体界面上的扰动通过瑞利-泰勒不稳定性(简称RT不稳定性)失稳增长的物理过程在这些应用中扮演着至关重要的角色。高能量密度条件下的物质往往以等离子体态存在,由全部或部分电离的电子和离子组成,往往也伴随着密度和温度的剧烈分层,从而在界面处发生剧烈传热和质量烧蚀。这种具有烧蚀效应的RT不稳定性称作烧蚀RT不稳定性。ICF相关条件下经典的基于局域平衡假设的热输运理论常常失效,热输运具有显著的非局域性。本文以ICF相关条件下的烧蚀RT不稳定性和电子非局域传热为背景,采用理论分析和直接数值模拟,系统研究了由于陡峭的温度梯度和长自由程的超热电子引起的电子非局域传热对烧蚀RT不稳定性增长影响的现象、机制和规律。主要工作内容和研究成果如下:(1)开发了三维多群扩散电子非局域传热并行程序并实现了与等离子体流体动力学程序ART的耦合计算。首次模拟研究了由于ICF中陡峭温度梯度引起的电子非局域传热对二维单模烧蚀RT不稳定性直至强非线性阶段的影响。研究发现,与局域的Spitzer-H?rm电子传热模型预测的结果相比,非局域传热除了在烧蚀RT不稳定性增长的线性致稳中发挥作用外,还可以显著抑制烧蚀RT气泡在达到经典饱和速度后的非线性加速。影响线性增长率降低的关键因素是非局域传热引起的预热提高了烧蚀速度。发现非局域传热通过降低涡量产生的机制抑制了非线性气泡增长。非局域传热增强了尖钉头部附近的烧蚀并减慢了尖钉增长,导致作为气泡再加速阶段的驱动源的涡量的生成减弱。在直接驱动激光聚变中,非局域传热能更有效地降低由激光压印阶段产生的短波长烧蚀RT模态的非线性增长。(2)采用多群扩散模型,通过数值模拟研究了超热电子能量输运对二维单模烧蚀RT不稳定性演化的影响。具有复杂分布函数的超热电子被简化为单能电子群。研究发现,超热电子可以明显降低烧蚀RT不稳定性的线性增长率。线性增长率的降低主要是由于超热电子增大了烧蚀速度和密度梯度标长。烧蚀速度的增大增强了烧蚀致稳效应,密度梯度标长的增大降低了有效阿特伍德数。自洽稳定性理论可以在含有超热电子的情况下对烧蚀RT线性增长率给出较好的近似值。超热电子对于小波长模态的线性致稳效应更强并会改变烧蚀RT不稳定性的线性截止波长。在当前的模拟参数范围内,能量更高的超热电子对峰值密度的降低和密度梯度标长的增大有更显著的影响。随着超热电子数密度的增加,烧蚀RT的线性增长率并未持续下降。在超过一定的超热电子数密度后,烧蚀RT的增长率开始缓慢增加,这是由于超热电子引起的靶壳加速度的提高开始起主导作用。(3)基于直接数值模拟研究了多模烧蚀RT不稳定性演化的特征以及超热电子输运对多模烧蚀RT气泡前沿增长的影响。研究发现多模烧蚀RT不稳定性气泡前沿在强非线性阶段会呈现自相似增长的规律,自相似增长系数与初始扰动密切相关并且在不同的时间区间气泡前沿的增长可能具有不同的自相似增长系数。超热电子会影响多模烧蚀RT的初期扰动谱幅值。超热电子可以明显延迟多模烧蚀RT气泡前沿的增长进入自相似增长阶段。
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