瑞利泰勒不穩定性

瑞利泰勒不穩定性

瑞利-泰勒不穩定性發生在非穩定的密度分層的狀況下,譬如較重的液體位於較輕的液體上,重力的作用加速了一層液體侵入另一層液體的進程,產生了湍流及隨之發生的界面上的湍流混合過程。 瑞利泰勒不穩定性引起流體內部密度不同區域之間的相互滲透。流體內部區域可以是由一個界面分開的兩種不同的物質,或是一個界面分開的兩部分平均密度不同的同種物質,這兩個區域之間存在著密度梯度。這種通常被稱為瑞利泰勒不穩定性的現象,往往發生於重力場中低密度流體支撐高密度流體的情況。 瑞利泰勒不穩定性,由於熱的電漿在磁場中會出現抗磁性漂移,因此在電漿與真空的邊界上出現擾動時,在擾動的波峰波谷之間會出現電荷的積累。這種積累產生的電場由洛侖茲力分析可知,會使波谷加深,波峰變高,從而使電漿的槽紋變深。

影響

當低密度流體加速高密度流體,或者在重力場中低密度流體支撐高密度流體時,流體界面會出現瑞利-泰勒(RT)不穩定性,界面上的擾動發展會以指數形式增長。在慣性約束聚變(ICF)內爆加速階段,燒蝕產生的高溫低密度電漿會加速靶丸外殼層低溫高密度燃料,此時會在燒蝕層形成一個流體力學不穩定區。加速階段RT不穩定性會使靶丸表面的瑕疵高速增長,從而最終導致燒蝕殼層的破裂,引起燒蝕層與低溫氘氚燃料的混合,會使內爆壓縮失去對稱性,降低氘氚聚變燃料的壓縮密度,嚴重影響聚變點火實驗。

因此,研究內爆過程中的流體力學不穩定性,對實現慣性約束聚變點火具有重要意義。收縮幾何和平面幾何中流體力學不穩定性的演化是有區別的,在擾動發展的線性階段,靶丸的半徑隨著內爆壓縮而減小,導致擾動波長減小,擾動增長率增大,而在平面幾何中擾動的波長是不變的。在擾動發展的非線性階段,收縮幾何中“蘑菇”帽結構的寬度會比平面幾何的大,此外,兩種幾何中“尖頂”的下降速度也是不同的,這會導致收縮幾何中開爾文-亥姆霍茲(KH)不穩定性的增強,使得擾動的發展更加劇烈和複雜。

目前,慣性約束聚變中開展的流體力學不穩定性實驗主要使用平面靶,而實際點火實驗所使用的靶丸是收縮幾何機構,同時收縮幾何效應又使得RT不穩定性的發展相較於平面幾何更加複雜。

結構

會聚結構中的流體動力學不穩定性因在雷射慣性約束聚變(ICF)、超新星爆發等過程中起重要作用而受到廣泛重視,它也是ICF、內爆動力學等需解決的關鍵技術問題之一。在會聚結構中的不穩定性問題有三個因素必須考慮:首先,較輕的流體加速較重的流體,即可形成瑞利-泰勒(RT)不穩定性;其次,“薄壁”效應,它通過外部RT 不穩定性表面擾動的饋通,使擾動出現在聚爆球殼的內表面。這些內表面擾動是極不希望出現的,因為它們影響球殼的壓縮性能;最後,會聚作用隨著球殼聚爆,擾動幅度和球殼厚度都在變化,從而使外部擾動對內表面擾動的耦合和影響發生變化。

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