极端条件下介质电离对金属/气体界面失稳混合影响的微观机理研究
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摘要
极端条件下(高能量环境:压力远大于百吉帕,温度远大于万开尔文)由RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性诱发的材料混合在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)、超音速燃烧等领域具有重大的工程意义和学术价值。由RM不稳定性诱发的湍流混合,是一种与动力学条件热力学状态、材料物性(可压缩性、强度、表面张力、黏性等)、界面初始扰动3方面因素密切相关的复杂流体动力学现象。对于一般热动力学状态下(低能量环境)的此类现象,国内外已开展较多的实验和数值模拟研究。但是在极端热动力学状态下,物质将发生电离,材料物性将发生较大变化,混合行为预期也将与非极端条件有较大区别,目前国内外对于相关问题的研究仍处于起步阶段。本研究利用第一性原理分子动力学方法,从微观角度开展了不同热动力学条件下(3~30 km/s的高速冲击加载)金属锂和气态氢材料混合的分子动力学数值模拟。结果表明:与一般条件下RM不稳定性诱导的混合过程不同,极端条件下金属界面不均匀性尖峰在强激波压缩后将出现一较高斜率的线性增长区,且随加载动力学强度的增大而增大。微观分析发现,冲击波极端压缩诱导的波阵面内有较强的电离效应。波后等离子体在强烈的波后稀疏效应作用下,离子实扩散和电子扩散将出现差异,导致混合界面附近出现较强的附加电场。综合分析发现,附加电场的存在导致极端条件下RM不稳定性诱导的混合过程出现新的特征:附加电场导致电场内离子实受到较强的电场加速作用.即在RM不稳定性混合过程中诱导出现RT(Rayleigh-Taylor)不稳定性,从而形成较强的线性加速过程。
引文