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PPMLR格式用于惯性约束聚变中流体不稳定性数值模拟研究

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PPMLR格式用于惯性约束聚变中流体不稳定性数值模拟研究

作者：屈小妹湘潭大学

学位级别：硕士

聚变核能将是人类未来赖以生存和发展的干净安全的重要能源。惯性约束聚变（ICF）是实现热核聚变的重要途径和迫切需要解决的关键科技问题。尤其是核禁试后，研制精确的数值模拟程序已成为武器研究和库存安全的关键内容。因此ICF及其数... 详细信息

聚变核能将是人类未来赖以生存和发展的干净安全的重要能源。惯性约束聚变（ICF）是实现热核聚变的重要途径和迫切需要解决的关键科技问题。尤其是核禁试后，研制精确的数值模拟程序已成为武器研究和库存安全的关键内容。因此ICF及其数值模拟研究对于推进我国国防和现代化建设具有十分重要的意义。本文致力于研究高阶Godunov格式PPMLR及其在ICF流体不稳定性数值模拟中的应用。首先我们在广泛深入学习文献资料的基础上，通过理论分析和大量数值试验，从两个方面改进了Colella和Woodward于1984年提出的PPMLR格式，一是改进了用于激波处理的flattening算法，二是提出了重映步之后对于各物理量的一种新的处理方法。这两项改进都是实质的，它们能显著改善原有PPMLR格式的实际计算效果。然后我们将改进的PPMLR格式用于ICF研究中经常遇到的流体界面Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟及Rayleigh-Taylor不稳定性数值模拟，均获得了比较理想的数值结果。更进一步，我们还研究了改进后的PPMLR格式在多介质可压缩大变形流体计算中的应用，这是一个人们公认的对于ICF及其他许多高科技领域研究十分重要而又非常困难的课题。大量数值试验表明，改进后的PPMLR格式适应性很强，即使是对于高密度比问题，多介质强激波问题及多介质大变形漩涡问题也都能算得较好。本文的另一项重要工作是对PPMLR格式、MUSCL格式及高阶FD-WENO格式作了定量比较，发现改进后的PPMLR格式与五阶FD-WENO格式都有其独到的优点，具有异曲同工之美，都是ICF数值模拟可供选择的优秀数值方法。但MUSCL格式各方面的性能稍差。不宜推荐。

关键词：惯性约束聚变流体不稳定性 PPMLR格式高阶WENO格式多介质可压缩大变形流体

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非理想流体不稳定性理论研究

非理想流体不稳定性理论研究

作者：郭汉中郑州大学

学位级别：硕士

流体力学是经典力学中很重要的一个分支,它历史悠久,并广泛应用于气象、天文、地球物理、太空探索等诸多领域。因此,对流体力学的深入研究将对人们探索自然,改善生活有着重要作用。流体不稳定性是流体力学中最基本的问题,也是自然界存... 详细信息

流体力学是经典力学中很重要的一个分支,它历史悠久,并广泛应用于气象、天文、地球物理、太空探索等诸多领域。因此,对流体力学的深入研究将对人们探索自然,改善生活有着重要作用。流体不稳定性是流体力学中最基本的问题,也是自然界存在的最普遍的现象之一。在小的扰动下,多相流系统将会在流体界面产生浮力和切变应力诱导的界面不稳定性。Rayleigh-Taylor不稳定性和Richtmyer-Meshkov不稳定性是其中最重要的两种界面不稳定性。Rayleigh-Taylor不稳定性发生在流体密度差和外场加速度方向相反的流体界面;而Richtmyer-Meshkov不稳定性发生在冲击波通过的流体界面。它们在许多自然现象,包括天体物理、磁场或惯性约束聚变、等离子体等领域广泛存在并起到极其重要的作用。自从上世纪初,Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性就引起了人们的广泛关注。研究表明：两种不稳定性演化的早期阶段(即线性演化阶段),界面处微扰的振幅随时间呈指数增长。演化后期,当微扰的振幅增长到与微扰波长相当时,界面处非线性结构开始出现。此时,轻的流体在重流体中形成泡状(bubble)结构,而重的流体在轻流体中形成尖峰(spike)结构。最终,湍流混合发生,流体进入湍流运动状态。关于bubble的动力学演化,理论上一直存在争议。历史上,曾经存在两个模型。一是1955年Layzer提出的Layzer模型,另外一个是1988年Zufiria提出的点源模型。两种模型最早都应用于真空bubble,后来,Goncharov和Sohn等对两种模型进行改进,把它们应用于任意密度比情况。Sohn对两种模型进行过比较,发现利用Zufiria提出的点源模型求出的bubble的速率、曲率等结果与数值模拟和实验符合的更好。由于不稳定性问题的复杂性,早期的研究工作主要集中在不可压缩、无粘性的理想流体,对非理想流体的研究甚少。本文利用Zufiria模型,分别对水头损失(head loss)和流体粘性对Rayleigh-Taylor不稳定性和Richtmyer-Meshkov不稳定性演化后期bubble的速率和曲率等的影响进行了系统研究。首先,系统研究了水头损失对Rayleigh-Taylor不稳定性和Richtmyer-Meshkov不稳定性的影响,得出了bubble的速率和曲率的解析表达式,以及bubble在后期非线性阶段的振幅、速率和曲率随水头损失系数的关系曲线。我们发现：水头损失降低bubble的振幅和速率,但是增大bubble的曲率。我们的研究结果比基于理想流体上Layzer模型和Zufiria的点源模型得出的结果与实验符合的更好。另外还发现：无论Rayleigh-Taylor不稳定性还是Richtmyer-Meshkov不稳定,水头损失系数都存在一个极值;对于Rayleigh-Taylor不稳定性,水头损失系数趋向于0.5,并与Atwood数无关;对于Richtmyer-Meshkov不稳定性,水头损失系数的极值与Atwood数有关,当Atwood取0-1时,水头损失系数趋于0.625-0.875。其次,本文还系统研究了流体粘性对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响,得出了bubble的Froude数与随雷诺数的解析关系。研究发现：流体的粘性降低bubble后期演化的速率,不过对bubble的曲率没有影响,这与Layzer模型的结果是一致的,但是我们的研究结果比Layzer模型给出的结果与实验吻合的更好。上述结果为研究非理想流体的不稳定现象、流体边界层以及湍流的运动规律提供重要的理论参考。

关键词：流体不稳定性 Rayleigh-Taylor不稳定性 Richtmye-Meshkov不稳定性 bubble 速率曲率

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生物流体粘度测定中的流体不稳定性问题

中国生物医学工程学报 1986年第4期 194-201页

作者：廖福龙李文温瑞兴朱惠荣中国中医研究院中药研究所中国中医研究院中药研究所北京

生物流体(例如血液、血浆)的粘度一般较低,用旋转粘度计测定时,其结果有可能受到流体不稳定性的影响。本实验用HAAKE旋转粘度计测定了动物血样的切应力(τ)—切变率(D)曲线。当流体不稳定性出现时,流体的粘度增高。实验表明,这一影响首... 详细信息

生物流体(例如血液、血浆)的粘度一般较低,用旋转粘度计测定时,其结果有可能受到流体不稳定性的影响。本实验用HAAKE旋转粘度计测定了动物血样的切应力(τ)—切变率(D)曲线。当流体不稳定性出现时,流体的粘度增高。实验表明,这一影响首先与切变率有关,切变率高于一定限度,流体不稳定性才出现,切变率越高,粘度的增高越剧烈。流体不稳定性亦与测量系统的几何形状有关,在本实验中,锥-板式比同心圆筒式易造成流体不稳定性。不同的生物流体的流体不稳定性是复杂的。一般说,全血的不稳定性甚小;但粘度较低的血浆等样品则流体不稳定性较明显,并可能使测出的粘度值偏高几分之一。为此,在生物流体的粘度测量中。首先需要了解所用测量系统对流体不稳定性的影响,再对测定条件加以适当选择。

关键词：流体不稳定性血液测量系统 PPP PRP 血浆旋转粘度计解剖学测试系统切变率川川

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向列相液晶电流体不稳定性——偏置电场效应

物理学报 1983年第12期 1565-1573页

作者：王心宜林磊中国科学院物理研究所

本文考虑了外电场与液晶盒玻璃片法线成倾角θ0时,沿面排列的向列相液晶（θα0）的电流体不稳定性现象。在Dubois-Violette等人的一维理论的基础上,我们获得了直流、正弦波和矩形波三种电场激发下的失稳条件。重要结果包括:（1）电荷... 详细信息

本文考虑了外电场与液晶盒玻璃片法线成倾角θ0时,沿面排列的向列相液晶（θα0）的电流体不稳定性现象。在Dubois-Violette等人的一维理论的基础上,我们获得了直流、正弦波和矩形波三种电场激发下的失稳条件。重要结果包括:（1）电荷弛豫时间随θ0单调上升。（2）对于MBBA液晶,存在一个临界角θc（ω）（ω是外场频率）,当θ0>θc（ω）时,失稳现象不能发生。θc（0）=54°,（3）对MBBA液晶,阈值电压随θ0单调增加。

关键词：向列相沿面排列电场效应液晶晶体方波电场流体不稳定性

激光驱动平面靶流体不稳定性及混合数值模拟研究

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中国核科技报告 2003年第4期 54-64页

作者：叶文华北京应用物理与计算数学研究所北京 100088

用LARED-S程序对二维激光烧蚀RT(Rayleigh-Taylor)不稳定性从线性增长到湍流混合进行了高分辨数值模拟。脉宽15ns的主脉冲激光驱动产生的混合区宽度达到250μm,混合区宽度与RT扰动截止波长比值为67。数值模拟得到了有关物理规律的认识... 详细信息

用LARED-S程序对二维激光烧蚀RT(Rayleigh-Taylor)不稳定性从线性增长到湍流混合进行了高分辨数值模拟。脉宽15ns的主脉冲激光驱动产生的混合区宽度达到250μm,混合区宽度与RT扰动截止波长比值为67。数值模拟得到了有关物理规律的认识。混合区宽度和扰动增长截止波长的比值决定了烧蚀RT混合的非线性程度。烧蚀对RT不稳定性混合产生明显的致稳作用,烧蚀RT混合区宽度比经典RT小一倍以上。用LARED-S程序进行了平面靶激光驱动减速阶段流体不稳定性及混合的高分辨数值模拟。内界面扰动经受二次聚心反射冲击的快速RM(Richtmyer-Meshkov)增长和持续的RT增长。减速阶段内界面同样存在很强的烧蚀致稳作用。一次冲击后内界面原先的小结构很快被磨平,二次冲击后烧蚀作用更强,截止波长增大到35μm,膨胀后期内界面保留了较大尺度的结构。

关键词：烧蚀RT不稳定性混合流体不稳定性内界面RT不稳定性靶数值模拟

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流体动力学不稳定性对蛋白质成核率影响研究

工程热物理学报 2013年第7期34卷 1217-1220页

作者：雷哲孟现阳吴江涛西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室陕西西安710049

本文采用自由液面扩散结晶方法,开展了典型蛋白质鸡蛋白溶菌酶结晶预混过程中的流体不稳定性实验研究。应用非接触、实时Mach-Zehnder干涉仪观测记录蛋白质与沉淀剂溶液在结晶器Hele-Shaw中混合至均一化的预混过程。汇总了不同预混策略... 详细信息

本文采用自由液面扩散结晶方法,开展了典型蛋白质鸡蛋白溶菌酶结晶预混过程中的流体不稳定性实验研究。应用非接触、实时Mach-Zehnder干涉仪观测记录蛋白质与沉淀剂溶液在结晶器Hele-Shaw中混合至均一化的预混过程。汇总了不同预混策略、不同浓度配比下的蛋白质与沉淀剂预混不稳定性。结合实验结果总结了晶核数量与预混过程中不稳定性之间的关系。

关键词：成核蛋白质流体不稳定性预混过程自由液面扩散法

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柱几何流体界面加速收缩不稳定性增长规律

进展 2021年第9期 80-81页

作者：马嘉辉黄雯轩陈子涵陈一帆中国矿业大学(北京)理学院

根据速度势理论研究了二维柱几何流体分界面在收缩过程中的不稳定性增长规律。研究发现当流体界面在加速向中心汇聚收缩时,界面处会出现不稳定性增长。初始对称的界面在收缩过程中会出现不规则形变。

关键词：柱几何汇聚收缩流体不稳定性

激光烧蚀RT不稳定性线性增长率和非线性行为的数值研究

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强激光与粒子束 1998年第4期10卷 567-572页

作者：叶文华北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室

给出了不同情况下多种波长的烧蚀瑞利－泰勒不稳定性线性增长率的二维计算结果，并与Ｔａｋａｂｅ公式和Ｓａｎｚ公式进行了比较，最后给出了单模激光烧蚀ＲＴＩ非线性发展行为的数值结果。线性增长率的二维计算结果很好验证了Ｓａｎｚ... 详细信息

给出了不同情况下多种波长的烧蚀瑞利－泰勒不稳定性线性增长率的二维计算结果，并与Ｔａｋａｂｅ公式和Ｓａｎｚ公式进行了比较，最后给出了单模激光烧蚀ＲＴＩ非线性发展行为的数值结果。线性增长率的二维计算结果很好验证了Ｓａｎｚ公式，表明β值应是２，不是３。当烧蚀速度较大或烧蚀面较宽时，用Ｔａｋａｂｅ公式估计的烧蚀ＲＴＩ线性增长率与二维计算值明显不符。

关键词：烧蚀致稳流体不稳定性激光 RT 非线性

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用NND格式模拟Kelvin-Helmholtz不稳定性

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计算物理 2010年第2期27卷 168-172页

作者：王立锋范征锋叶文华李英骏中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871 浙江大学物理系浙江杭州310028

使用局部Steger-Warming通量分裂方法,利用NND有限差分格式求解守恒型流体力学方程组,实现对Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟.数值模拟给出的线性增长率与线性稳定性分析给出的结果相符合,得到锐利的界面变形图像.

关键词：流体不稳定性 Kelvin-Helmholtz不稳定性 NND格式

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