Исследование неустойчивости Рэлея-Тэйлора в сжимаемых средах

• Автор: Кривец, Виталий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 77 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор основных результатов исследования НРТ
2 Экспериментальная установка
3 Одномерная модель течений, изучаемых на установке ИУ
4 Обработка экспериментальных результатов и их анализ
в сравнении с численным расчетом
4.1 Начальная зона перемешивания и методика замеров на экспериментальных кадрах
4.2 Линейная стадия развития НРТ
4.3 Нелинейная, переходная и турбулентная стадии развития НРТ
4.4 Исследование толщины зоны перемешивания
4.5 Сепарация газов в области перемешивания
4.6 Эволюция зоны перемешивания под действием отраженной слабой ударной волны
Заключение
Литература

Введение.
Актуальность темы диссертации. Ускоренное движение области перемешивания сред разной плотности, направленное со стороны легкой среды в тяжелую, приводит к возбуждению гидродинамической неустойчивости Рэлея-Тэйлора (НРТ) на границе между двумя этими средами. Это эквивалентно тому, что при переходе через границу раздела двух разиоплотных сред выполняется условие: VpVр < 0 (условие возникновения НРТ). Данный тип гидродинамической неустойчивости играет ключевую роль в таких объектах новой технике, как управляемый инерционный термоядерный синтез (ИТС). НРТ возникает также и в других объектах новой техники, например, в устройствах предназначенных для горения топлива, а также в целом ряде природных и космических процессов.
В ИТС мишень, содержащая дейтерий-тритиевое (D-Т) топливо, в результате облучения интенсивным лазерным излучением (ЛТС) [1] или пучком ионов должна быть сжата до плотности в 104 раз превышающих плотность твердого тела. После этого в центре мишени возникает термоядерное горение. Мишень представляет собой многослойную сферическую систему с диаметром около миллиметра. Слои мишени содержат различные вещества и имеют различную плотность. Возможны чередования дейтериво-тритиевого (D-Т) топлива с негорючими оболочками, включая переходы между слоями газообразного и твердого (замороженного) D-Т. При облучении внешней поверхности мишени лазерным излучением к центру мишени идут волны сжатия, при этом возникает градиент давления. На границах между слоями, где выполняется условия возникновения НРТ, развиваются возмущения, что приводит к образованию турбулизованной области

перемешивания, увеличивающей свои размеры. До того, как начнется термоядерная реакция, волны сжатия отражаются от центра мишени, что может привести к изменению знака градиента давления, а значит на ранее устойчивых границах раздела будет развиваться НРТ. И наоборот, на границах раздела, где при ускорении, направленном к центру, возмущения развивались, НРТ исчезнет, и будет наблюдаться процесс разделения веществ, вовлеченных первоначально в перемешивание (сепарация). Ситуация может еще более усложниться в случае возникновения ударных волн, так как помимо НРТ в области перемешивания возникнет неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (НРМ). Все это приводит к нарушению сферической симметрии процесса и к снижению эффективности сжатия в ИЛТС. К тому же гидродинамическая неустойчивость вызывает перемешивание между топливом и негорючими оболочками в процессе сжатия, вследствии чего уменьшается количество горючего и, соответственно, уменьшается выделяемая энергия.
Сложный характер явления сжатия мишеней существенно затрудняет его математическое описание и поиск оптимальных конструкций мишеней для ИТС.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование развития и подавления НРТ в сжимаемых средах под действем нестационарного ускорения, созданного волнами сжатия. Для этого необходимо получить геометрические характеристики возмущенной области перемешивания двух сред при различных комбинациях газов. С помощью одномерного численного расчета исследуется влияние процессов сжатия на эволюцию области перемешивания.
Научная новизна. Впервые было проведено экспериментальное

ждаться ниже). После того, как в соседней ячейке непрореагировавшей смеси температура достигает значения Т*, в ней, в течении временного шага, выделяется удельная теплота д(Хр). Из уравнения (3.3) находились новые значения удельной энергии, с помощью которых из уравнения состояния идеального газа пересчитывалось давление на текущем временном шаге. Из уравнения движения (3.2) определяются значения скоростей, после чего рассчитывалась новая координаты лагранжевых ячеек. Далее, учитывая условие непроницаемости Ла-гранжевой сетки (3.1), находятся новые значения плотностей. На этом временной цикл завершается. Для областей, где горение отсутствует, расчетная схема точно такая же, но д = 0. Данный численный метод является разностной схемой второго порядка точности по ж и первого
Величина удельной энергии, выделяемой кислородно-водородной смесью рассчитывалась, исходя из состава используемой горючей смеси. Известно [19], что суммарный тепловой эффект одного моля воды равен 58 ккал. Данная величина может варьироваться в зависимости от условий сжигания смеси. В эксперименте использовалась горючая смесь следующего состава: 0.45Яг + 0.5502, то есть из одного моля смеси получается 0.45 молей НО. Итак 1 моль смеси выделяет
26.1 ккал тепловой энергии. Молярная масса горючего газа равна 18.5 г/моль, следовательно удельная теплота сгорания смеси (д) равняется 1.4 ккал/г (5.9 кДж/г). Для изучения процесса распространения фронта пламени в горючей смеси, была проведена серия экспериментов. Поджиг осуществлялся с помощью искровой свечи, расположенной около верхнего торца трубы (ж = 0). На рис. 3.1 даны интерферо-граммы процесса воспламенения кислородно-водородной смеси.