烧蚀流体不稳定性的弱非线性混合研究

高能量密度烧蚀流体不稳定性与弱非线性混合是惯性约束聚变与国防研究的关键基础问题，也是星系演化、超新星爆炸、致密天体质量吸积、原始恒星形成等天体物理问题的重要研究内容。本项目拟采用直接数值模拟与流体稳定性理论相结合的方法，研究高能量密度烧蚀流体不稳定性的线性与弱非线性演化规律，研究扰动模的耦合、预热烧蚀致稳、密度梯度、带电粒子能量输运与沉积对弱非线性混合规律的影响；总结发展烧蚀流体不稳定性的弱非线性混合理论。研究成果将有助于提高对高能量密度流体不稳定性基本规律的认识，并将其应用于惯性约束聚变、国防与天体物理研究。

本项目针对高能量密度烧蚀流体不稳定性与弱非线性混合的物理问题展开研究，采用直接数值模拟与流体稳定性理论相结合的方法，主要开展下面四项研究内容，取得了创新性的成果，完成了预期的研究计划。.1）研究了点火靶内爆过程中靶壳低阶模面密度不对称性的发展以及对内爆性能的影响。我们进行了超过200次二维点火靶内爆模拟，建立了一个完备的2D数据库。研究表明：驱动不对称性能够导致大幅度的面密度扰动。靶壳面密度不对称性能够显著地降低内爆动能转化为热斑内能的效率，使得热斑内能与阻滞压强急剧降低，从而趋近于NIF内爆实验测量值。这能够部分解释目前NIF实验与模拟之间的巨大差异。我们还发现只使用热斑形状项无法准确表征靶壳面密度扰动对内爆的影响，因此发展了一种新的低阶模扰动的表征方式，修正后的ITF能够准确地评估点火靶的点火裕量。.2）系统研究了黑腔内高能X光预热能谱分布对靶丸内爆性能的影响，重点研究了高能预热对烧蚀面与物质界面稳定性能的影响。随着高能X光能谱分布位置的升高，里面纯CH烧蚀层被过度预热，导致物质界面的Atwood数增大，流体力学稳定性变差。同时，X光能谱分布位置的升高使得辐射更加容易穿透烧蚀面，烧蚀面的密度梯度标长变大，这有利于烧蚀面的稳定性控制。本项工作还完成了烧蚀流体RT增长线性分析模块的研制，能够对一维数值模拟结果进行后处理提取相关物理量，通过烧蚀RT增长率的理论公式得到各个界面上RT线性增长因子，这能够用于评估烧蚀流体的稳定性能。.3）系统地研究了ICF黑腔与内爆过程中流体组分之间的穿透混合效应以及单流体模型的适用性问题。我们编制了高精度的一维欧拉多流体穿透混合程序，对双流体对撞，强冲击波在稀薄气体中的传播，黑腔内金等离子体的膨胀问题进行模拟。当碰撞参数L/λ>10时，流体组分之间的穿透混合现象不严重，单流体建模是合理的。当碰撞参数L/λ<10时，粒子的碰撞平均自由程变大，流体组分之间的穿透混合现象严重，单流体模型计算出不合理的高温现象，应该进行修正。.4）细致研究了CH点火靶的掺杂烧蚀层的优化设计，提出了一种新的掺杂烧蚀层设计-Si/Ge靶，该靶型不仅具有较高的内爆速度，满足了点火靶内爆速度的指标要求；又能避免内部纯CH层的过度预热，极大地改善靶丸物质界面的流体稳定性能。.上述大部分研究成果已经发表在SCI期刊杂志上，并在国内外重要学术交流会议上进行了报告。