Rayleigh-Taylor不稳定性再加速阶段演化机制及粘性、变粘性影响研究

Rayleigh-Taylor (RT) instability is an important physical process in inertial confinement fusion (ICF), astrophysics and other engineering problems and natural phenomena. In the ICF ignition problem, the cesium fuel needs to be heated above 10^7K, and the viscosity increases to about 10^6 times at room temperature, viscosity can play an important role in suppressing RT instability. However, the role of viscosity in the late acceleration phase of RT instability is not clear, and the effect of varying viscosity is not considered. This project takes single-mode RT instability as the research object, studies the evolution mechanism of re-acceleration phase and the effects of viscosity and varying viscosity. The main research contents include the following three aspects: (1) Research on evolution mechanism of re-acceleration phase, analysis of Kelvin-Helmholtz(KH) instability The production process, and the re-acceleration of the instability of the vortex generated by the instability of KH; (2) Research on the viscous bubble velocity and vorticity evolution model, studying the direct frictional resistance of the bubble, and the inhibition of KH instability and thus the inhibition of the re-acceleration process; (3) Research on varying viscous bubble velocity and vorticity evolution model, and examine new physical processes under varying viscosity. In this study, a complete physical image of the re-acceleration stage of single-mode RT instability is obtained, revealing the evolution mechanism, and obtaining the bubble velocity and vorticity evolution model containing viscosity and varying viscosity.

RT不稳定性是惯性约束聚变（ICF）、天体物理等工程问题及自然现象中的重要物理过程。ICF点火问题中，氘氚燃料被加热到10^7K以上，粘性增加到常温时的10^6倍左右，粘性对于抑RT不稳定性可以起到重要作用。然而学术界对粘性在RT不稳定性后期再加速阶段的作用尚不清晰，且没有考虑变粘性的影响。本项目以单模RT不稳定性为研究对象，研究再加速阶段演化机制及粘性、变粘性的影响。主要研究内容包括以下三方面：(1)再加速阶段演化机制研究，分析KH不稳定性产生过程，及产生的涡对RT不稳定性的再加速作用；(2)常粘性气泡速度及涡量演化模型研究，分析粘性对气泡的直接摩擦阻力作用，及通过抑制KH不稳定性进而抑制再加速过程作用；(3)变粘性气泡速度及涡量演化模型研究，并考察变粘性下的新物理过程。通过此项研究，得到单模RT不稳定性再加速阶段的完整物理图像，揭示演化机理，得到含粘性、变粘性的气泡速度及涡量演化模型。

Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性是惯性约束聚变（ICF）、天体物理等工程问题及自然现象中的重要物理过程。ICF点火问题中，氘氚燃料被加热到10^7K以上，粘性增加到常温时的10^6倍左右，粘性对于抑RT不稳定性可以起到重要作用。然而学术界对粘性在RT不稳定性后期再加速阶段的作用尚不清晰，且没有考虑变粘性的影响。本项目以单模RT不稳定性为研究对象，研究再加速阶段演化机制及粘性的影响。主要研究内容包括以下三个方面：(1)再加速阶段演化机制研究，分析Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性产生过程，及产生的涡对RT不稳定性的再加速作用；(2)常粘性气泡速度及涡量演化模型研究，分析粘性对气泡的直接摩擦阻力作用，及通过抑制KH涡进而抑制再加速过程作用；(3)变粘性气泡速度及涡量演化模型研究，分析涡受粘性的衰减作用，及不同涡合并的增强作用，给出再加速阶段之后气泡速度和涡量的演化过程。研究结果如下：(1)再加速阶段，粘性可以明显的抑制气泡速度，这是由于粘性抑制了气泡头部附近的涡，进而抑制了涡对气泡的再加速作用，此作用明显大于粘性对气泡的摩擦阻力作用;(2)基于粘性对涡量的线性抑制关系，给出了涡量强度、粘性和时间之间的无量纲关系式，结合气泡速度-涡量的关系式，可以很好的预测不同粘性下的气泡速度演化；(3)在RT演化后期，发现了一个新的阶段，“减速-加速阶段”，这是由于气泡头部附近的涡首先被粘性降低而减速，但新的KH涡又会由于自诱导作用运动到气泡头部附近产生加速，这两种因素交替作用，导致气泡反复的减速、加速。