强激波冲击多晶碳/氦界面诱导的微观Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

摘要

当激波冲击两种不同物质组成的界面时,其驱动的界面流体混合现象称为Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性.惯性约束核聚变过程中,激波诱导的靶丸材料与聚变材料间的RM不稳定性是该研究领域重要的基础科学问题之一.实际靶丸材料受制于工艺无法制成单晶,理论研究证实激波在多晶材料内传播时,其波阵面会发生一定扭曲,这种扭曲是否会诱发宏观尺度RM不稳定性或形成宏观尺度RM不稳定性的种子源是靶丸设计中的关键问题.本文从多晶碳/氦界面出发,采用分子动力学模拟了强激波冲击多晶碳/氦光滑界面的微观过程,并探究了冲击速度和晶粒尺寸对其界面演化的影响.结果发现激波经过多晶材料后会发生波阵面的扭曲,使界面产生很多微小的初始扰动,而这些初始扰动会随着界面的进一步演化而持续增长,形成不同波长的扰动尖峰,发展成微观的RM不稳定性现象.不同强度的冲击发现,存在微观RM不稳定性演化的临界冲击速度区间,在此区间内,冲击速度越大,后续的界面振幅发展越快,波长越小.相同冲击速度条件下,不同晶粒尺寸工况有相似的演化过程和特征,平均振幅增长规律相近,但峰值振幅和波长差异较大,体现出较大尺度的多晶扰动可能带来较大幅度和波长的微观RM不稳定性演化机制.基于微观扰动的宏观尺度RM不稳定演化则需要开展多尺度的理论模拟与实验进行验证.