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在國家自然科學基金委杰出青年基金（11625211）和湍流結構生成與演化重大研究計劃重點項目（91952205）資助下，中國科學技術大學羅喜勝教授課題組近期研究發(fā)現(xiàn)激波誘導的氣層失穩(wěn)呈現(xiàn)了與經(jīng)典Richtmyer-Meshkov（RM）不穩(wěn)定性的不同，揭示了構成氣層的多道界面之間的耦合以及氣層內的反射波系對不穩(wěn)定性的影響，首次提出通過調控界面耦合強度和氣層內的波系來實現(xiàn)對流體界面不穩(wěn)定性的有效控制。相關進展已在流體力學著名期刊Journal of Fluid Mechanics上發(fā)表4篇系列論文，并在2021年12月的國際激波學術研討會（International Colloquium on Shock Waves）以特邀報告（50分鐘）進行了介紹。

當具有初始擾動的流體界面受激波沖擊后，界面上的擾動不斷增長, 并在演化的后期誘發(fā)湍流混合, 這種復雜的界面失穩(wěn)現(xiàn)象被稱作RM不穩(wěn)定性。RM不穩(wěn)定性一方面涉及激波動力學、湍流混合等流體力學中的重要科學問題, 另一方面在慣性約束核聚變（inertial confinement fusion，ICF）、超燃沖壓發(fā)動機、天體物理等領域有著廣泛而重要的應用背景。特別是在含多道物質界面的ICF中, RM不穩(wěn)定性誘導的湍流混合被認為是導致 “點火” （聚變反應的啟動）失敗的兩大物理難題之一。因此對激波誘導多道界面不穩(wěn)定性的調控具有重要的學術意義和應用價值。

激波管實驗是研究RM不穩(wěn)定性的有效手段，可以提供清晰的界面動態(tài)圖像和界面演化數(shù)據(jù)。然而，由于RM不穩(wěn)定性對界面初始條件極其敏感，因此產(chǎn)生初始條件可控的界面成為關鍵技術瓶頸。研究人員采用雕刻技術來約束肥皂膜產(chǎn)生了初始形狀可控的氣體界面，在激波管中實驗研究了激波誘導雙氣層、單氣層和單界面演化特征（圖1(a)-(f)），基于穩(wěn)定性分析量化了界面耦合效應，根據(jù)氣體動力學量化了氣層內反射波誘導的額外的流體力學不穩(wěn)定性。國際學者評價“該工作的實驗紋影圖片和示意圖很好地傳達了波動力學的復雜性。實驗結果得到了復雜數(shù)學模型的支持和驗證”。

數(shù)字代表時間，單位是μs。

進一步地，研究人員形成了初始擾動和厚度可控的任意氣體組合的氣層，開展了一系列的激波驅動多種氣體組合的氣層實驗研究（圖2(a)-(h)）。研究結果表明，通過主動設計氣層厚度和選擇氣層內外氣體的種類，可以有效調控界面不穩(wěn)定性，從而為ICF靶丸設計提出了有益建議，如由于稀疏波的促進失穩(wěn)作用，重氣層不適合靶丸設計；而由于界面耦合的抑制失穩(wěn)作用，輕/中/重氣層更適合靶丸設計。國際學者評價 “該工作提出的重/輕雙氣層有可能減弱流體力學不穩(wěn)定性對ICF的影響的結論很有意義，將激發(fā)進一步對這個題目的研究和討論”。

標簽： 不穩(wěn)定性 流體力學 初始條件