汇聚激波的分子动力学研究
汇聚激波是一种向球形或者柱形汇聚中心不断汇聚的激波，与平面激波传播过程不同，其波面面积在汇聚过程中不断减小，激波强度持续增强，最终可在激波汇聚中心形成高温高压的区域，因此汇聚激波通常作为一种在小区域内高效地聚集能量的手段。汇聚激波广泛存在于各种尺度的物理现象中，从天文尺度上的超新星崩塌，再到微尺度上气泡塌陷发光。其重要意义不仅存在于科学研究中，在实际的工程应用也是至关重要的，如惯性约束核聚变。同时汇聚激波在传播过程中，汇聚激波的稳定性会影响汇聚中心的聚集能量的效率。目前对于汇聚激波的研究通常集中在宏观尺度上，但是由于汇聚激波的汇聚过程和汇聚激波作用下的界面不稳定性均是多尺度问题，并且对于微观尺度的汇聚现象研究较少，因此本文通过经典分子动力学模拟研究微观尺度下汇聚激波的汇聚过程和汇聚激波作用下的界面不稳定性问题，具体工作如下: 首先，本文实现了经典分子动力学中柱形汇聚激波的生成，并对势函数的有效性进行验证，研究微观尺度的汇聚激波的传播过程以及特性。本文对传播过程中不同时刻的密度、径向速度以及温度等参数的变化进行分析，发现无量纲之后不同强度汇聚激波的自相似性规律差异不大。 然后，本文模拟汇聚激波作用下的Cu-He无扰动界面的演化，研究微观尺度下无扰动界面的发展和演化特征。发现在模拟设置条件下，无扰动界面在向内运动直至从汇聚中心反射回来的二次激波作用之前没有明显的减速阶段;同时对于初始无扰动的Cu-He界面，在初始汇聚激波作用之后，由于原子的随机热运动，无扰动界面形成了微小的扰动，在二次激波的再次作用之后，这些微小的界面扰动振幅迅速增长。因此，微观尺度的无扰动界面，在汇聚激波作用下由于原子的热运动造成的微小扰动由于汇聚激波多次作用而产生不可忽略的增长。 最后，本文模拟了汇聚激波作用下的Cu-He单模扰动界面的演化，研究微观尺度下的单模扰动界面的发展和演化特征，并系统地研究振幅、波数以及Atwood数对于界面的不稳定性发展的影响。首先分析汇聚激波作用下的单模扰动界面的演化过程，发现紊乱透射激波在汇聚的过程中逐渐恢复成完整的柱形。然后，分析不同初始振幅的界面演化特征，发现大振幅下二次激波作用后，界面的扰动振幅增长率趋于一致;分析不同初始波数的界面演化特征，发现大波数下，界面的扰动振幅速度减慢，较早的出现饱和现象;分析不同的Atwood的界面演化特征，发现对比较接近的几个不同Atwood数，在初始激波作用下界面的扰动增长率几乎相同，然而在二次激波作用之后，界面的扰动振幅增长率随即出现了明显的差异。最后，分析汇聚中心区域压力的变化，发现汇聚中心区域的初始压力峰值和初始扰动振幅不相关，但是随后的压力峰值则受到界面不稳定性发展的影响，扰动会减弱汇聚中心区的压力。
汇聚激波;界面不稳定性;分子动力学模拟
中国科学技术大学
硕士
流体力学
罗喜胜
2018
中文
O351.2
87
2018-09-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）