高能量密度下汇聚几何界面失稳诱导的转捩和湍流混合机理研究

In view of the great national requirement of researches on nuclear weapons and inertial confinement fusion (ICF), this project intends to focus on the key scientific issues of the instability and turbulent mixing of converging geometric interfaces (CGIs) under high energy density (HED) conditions, which significantly affects the performance of the nuclear weapons and ICF ignition. By combining theoretical analysis, experiments and numerical simulations, the following researches will be carried out. (1) By developing the advanced laser-driven experiment and high-resolution test diagnostic technologies, we will establish the capability of performing cylindrical interface instability experiments under HED conditions in China. (2) Based on the thermodynamic-compatible principles, we will develop space-time coupled, high-order numerical methods to establish the massive direct numerical simulation (DNS) capability under tens of billions of grids. (3) We will also recognize the transition, formation and evolution mechanism of turbulent structures in the process of instability of CGIs under HED conditions, determine the conditions, parameter ranges and transition mechanism of the transition to turbulence, and explore the new phenomena and mechanism in such flows. (4) We will finally develop a two-equation free-shear turbulence model, which will be calibrated by laser-driven experiments and comprehensive verification of DNS data. By enhancing the scientific understanding of interfacial instability and turbulent mixing, this projectin will support major national strategic tasks such as weapon engineering and ICF ignition design.

针对核武器和惯性约束聚变（ICF）等国家重大任务需求，本项目聚焦于高能量密度条件下汇聚几何界面失稳和湍流混合这一影响武器性能和ICF点火的关键科学问题，理论、实验和数值模拟相结合，拟开展如下研究：（1）发展先进激光加载实验技术和高分辨测试诊断技术，在国内建立高能量密度柱几何界面失稳实验能力；（2）基于热力学相容原理发展时空耦合的高效、高精度数值模拟方法，建立适用于汇聚几何界面失稳的数百亿网格规模的直接数值模拟（DNS）能力；（3）研究高能量密度条件下汇聚几何界面失稳中的转捩机制和湍流结构生成、演化机理，确定界面失稳转捩至湍流的判据、参数范围和转捩机制，探索极端条件下湍流混合演化可能存在的新现象、新机制；(4) 发展经激光加载实验和DNS数据综合校验的适用于汇聚几何界面失稳的两方程自由剪切湍流模型。本项目通过提高对界面失稳和湍流混合的科学认识，支撑武器物理和ICF点火设计等国家重大战略任务。

界面不稳定性和湍流混合在武器物理、惯性约束聚变和天体物理等工程与自然领域有重要应用背景，是影响几乎所有聚变过程的关键科学问题之一。针对高能量密度条件下汇聚几何界面失稳和湍流混合问题，项目组开展了系统的数值模拟、实验和理论研究，取得了如下研究成果。.1．构建了构造了具有时空耦合和数值耗散自适应调节性质的系列高精度、低耗散数值格式，研制了具备AMR自适应网格加密功能的多物理耦合流体力学计算软件，形成了百亿网格规模的湍流混合直接数值模拟能力。.2．通过发展基于KB显微镜的高分辨测X射线成像技术，完成了高能量密度条件下柱形汇聚界面失稳实验，获得了柱样品单模扰动增长幅度等高精度实验数据。.3.获得了粘性、弹塑性、颗粒、辐射、二次冲击和汇聚几何等因素对界面失稳和混合演化影响的规律性认识，揭示了导致平面和汇聚几何湍流混合演化差异的物理机理，提出了可适应不同几何工况的湍流混合区演化模型。.4．提出了一种适应RT/RM/KH多种流体不稳定混合演化的两方程湍流混合RANS模型，给出了一种具有通用性的湍流模型系数确定方法，实现了同一套模型系数下对一系列经典实验及复杂混合流动的统一刻画。.5.高精度数值格式和自适应欧拉程序应用于武器物理和激光聚变领域工程问题的数值模拟，大幅提升了关键区域的模拟分辨率；湍流混合模型集成应用武器物理工程模拟程序，显著提升了聚变相关过程模拟的精密化程度。.项目执行期间，共发表SCI期刊论文57篇，其中JFM 2篇、JCP 6篇、PoF 14篇、PRE 4篇、CAF 9篇；获发明专利3项。项目组成员获国家级人才项目2项（国家高层次人才特殊支持计划领军人才和国家基金优青项目），两人晋升研究员，三人晋升副研究员。培养研究生和博士后10余名。.项目全面完成了预定研究计划，项目算法、程序和模型为武器物理和激光聚变研究提供了重要支撑，取得了突出应用成效。在后续究中，项目组计划进一步加强湍流混合转捩机理和模型研究，加强理论分析与实验的结合。