Исследование неустойчивости Рэлея-Тэйлора в сжимаемых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Кривец, Виталий Владимирович

• Кривец, Виталий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кривец, Виталий Владимирович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование неустойчивости Рэлея-Тэйлора в сжимаемых средах»

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 разноплотных сред выполняется условие: VpVp < 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-T) топливо, в результате облучения интенсивным лазерным излучением (JTTC) [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-T) топлива с негорючими оболочками, включая переходы между слоями газообразного и твердого (замороженного) D-T. 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 исследование эволюции области перемешивания между парами раз-ноплотных сжимаемых сред под действием переменного ускорения. Применительно к реальному эксперименту был выполнен одномерный расчет для получения газодинамических параметров вблизи области перемешивания. В большинстве известных работ исследование развития НРТ проводилось при условии несжимаемых сред и действии постоянного ускорения, направленного из легкой среды в тяжелую (" гравитационная неустойчивость").

Практическая значимость. Настоящая работа выявляет различие в эволюции зоны перемешивания для "гравитационной неустойчивости" и случая взаимодействия волн сжатия с областью перемешивания в сжимаемых средах. Результаты работы используются для коррекции численных моделей, описывающих возбуждение и развитие НРТ. Высокая информативность экспериментальных исследований НРТ при низких параметрах рабочих сред стимулирует постановку новых работ при изучении ИТС [2].

Личный вклад диссертанта в проведенных исследованиях: участие в проведении экспериментов на установке ИУ-03 и обработке экспериментальных данных. Разработка одномерной численной модели процесса для получения газодинамических параметров эксперимента. Участие в модернизации экспериментальной установки ИУ-03.

Основные положения, выносимые на защиту

• На установке ИУ-03 проведено экспериментальное исследования, доказывающее разницу развития зоны перемешивания между разно-плотными средами под действием ускорения для несжимаемых и сжимаемых сред.

• Предложенный одномерный численный расчет адекватно отражает условия в которых идет развитие двумерной зоны перемешивания.

• Эксперимент доказывает, что процесс сепарации двух газов протекающий под действием волн сжатия невозможен в присутствии ударной волны.

Апробация. Материалы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1) Международная конференция по физике турбулентного перемешивания сжимаемых средах (ГУУРСТМ): Марсель Франция 1997; С.Петербург Россия 1999. 2) Международная конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом (25 ЕСЫМ), Формия Италия 1998. 3) Международная конференция "Забабахинские научные чтения", Снежинск Россия 1997, 1999. 4) Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород Россия 1998, 1999,2000. 5) Семинар ШТАБ, посвященный обсуждению проекта, Брюссель Бельгия 1998. б) Коллоквиум ЕНССЖТАС ЕШОМЕСН 403 "Турбулентность в высокоскоростных сжимаемых потоках", Пустье Франция 1999. 7) Научные семинары в Институте Механики МГУ, Институте Математического Моделирования (РАН), в институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау в течении 1999 года.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 печатных работах.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 77 страницах, содержит рисунки на 26 страницах. Список литературы содержит 22 наименования.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Кривец, Виталий Владимирович

Основные результаты экспериментальных исследований и численного расчета состоят в следующем:

1. В сжимаемых средах наблюдается подавление возбуждения и развития НРТ по сравнению с несжимаемыми средами. Это выражается, во-первых, в снижении инкремента роста возмущений на линейной стадии развития НРТ - частичное подавление. Во-вторых, если легкий ускоряющий газ сжимается сильнее тяжелого, и число Атвуда мало (At < 0.04), то наблюдается полное подавление НРТ.

2. Обнаружено, что начиная с нелинейной стадии развития НРТ характерный размер области перемешивания (глубина взаимопроникновения газов) возрастает линейно с величиной пути, проходимого областью перемешивания в процессе ускоренного движения.

3. Обнаружены два качественно различных режима эволюции тур-булизованнной области перемешивания в процессе ее торможения: а). Безударное торможение вызвано отраженными волнами сжатия б). Торможение, вызванное отраженной ударной волной.

4. Основным отличием работ по "Гравитационной неустойчивости" от экспериментов со сжимаемыми средами, находящимися в поле переменного ускорения, является увеличение массы вовлеченного в перемешивание вещества за счет сжимаемости. Интенсивность роста ширины зоны перемешивания в обоих случаях приблизительно совпадают, но для сжимаемых сред получено увеличение плотности газа в области перемешивания в 2-3 раза по сравнению с начальной. Таким образом, сжимаемость приводит к интенсификации перемешивания веществ с течением времени.

В заключении приношу свою искреннюю благодарность моему научному руководителю профессору С.Г. Зайцеву, ведущему инженеру С.Н. Титову, к.т.н. Е.И. Чеботаревой, с.н.с. И.М. Мазилину за постоянную помощь в получении и обработке экспериментального материала и ценные советы по реализации расчетов.

Заключение

На установке ИУ-03 получен большой объем экспериментальных результатов по НРТ в сжимаемых средах. Это позволило прокотировать созданную одномерную газодинамическую модель процесса, применительно к установке ИУ-03. Перед фронтом пламени возникает падающая волна сжатия. Эта волна, пройдя по невоспламенившейся кислородно-водородной смеси, рефрагирует на области перемешивания и, переходя в инертный газ образует преломленную волну сжатия. При этом область перемешивания вовлекается в ускоренное движение. Преломленная волна сжатия, двигаясь по инертному газу, отражается от закрытого конца канала и при движении навстречу области перемешивания сообщает ей замедленное движение. Предложенная одномерная модель позволяет численно рассчитывать параметры течения в падающей, преломленной и отраженной волнах сжатия, траекторию и толщину зоны перемешивания. Эти процессы в одномерном приближении моделируют сжатие лазерных мишеней. Результаты численных расчетов, использующих указанную модель, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Измерения толщины 5 области перемешивания в экспериментах не-ожидано обнаружили, что после определенного начального промежутка времени, в течении которого 5 убывает, наблюдается интенсивный рост 5. Вероятно такое увеличение 5 связано с возбуждением внутри слоя перемешивания мелкомасштабной турбулентности, в условиях неустойчивости Рэлея-Тэйлора. Данный эффект не наблюдается для комбинации горючей смеси с неоном, когда число Атвуда, по результатам одномерного численного расчета, меняет знак, и условия для

HPT исчезают.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кривец, Виталий Владимирович, 2000 год

1. Н.Г. Басов, И.Г. Лебо, В.Б. Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза. Изд."Знание", Москва 1988.

2. В.A. Remington, S.V. Weber, М.М. Marinak, S.W. Haan, J.D. Kilkenny, R.J.Wallace, G. Dimonte. Single-mode and multimode Rayleigh-Taylor experiments on Nova. Phys. Plasmas 2(1), January 1995, p. 241-255.

3. V.S. Smeeton, D.L. Youngs. Experimental Investigation of Turbulent Mixing by Rayleigh-Taylor Instability. Part 3. AWE report No. О 35/87 January 1988, Reprinted April 1992, Aldermaston, Berks.

4. D.J. Lewis. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. (II) Proc. Roy. Soc. A, volume 202, plate 5, p.81-96,22 June 1950.

5. G. Taylor. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. (I) Proc. Roy. Soc. A, No 1065 v.201, p.192-196

6. H.W. Emmons, C.T. Chang, B.C. Watson. Taylor instability of finite surface waves. Journal of fluid mechanics V.7,Part 2, February 1960, p. 177-193.

7. M.В. Schneider, G. Dimonte, B.A. Remington. Structure of Mix in a Rayleigh-Taylor Unstable Fluid Cell. 6th Iwpctm Marseille June 1997, p. 458-463.

8. M. Ratafia. Experimental investigation of Rayleigh-Taylor instability. The physics of fluids. V. 16, No. 8, August 1973. p. 1207-1210.

9. D.L. Youngs. Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability. Advances in Compressible Turbulent Mixing. Editors: W.R Dannevik, January 1, 1992, p.607-626

10. S. Chandrasekhar. Hydrodynamic and hydromagnetic stability. Oxford at the clarendon press, 1961.

11. R.E. Duff, F.H. Harlow, C.W. Hirt. Effects of diffusion on interface instability between gases. The Physics of Fluids, V.5, No.4, April 1962, p.417-425

12. Ю.А. Кучеренко, B.E. Неуважаев, А.П. Пылаев. Поведение области гравитационного турбулентного перемешивания в условиях, приводящих к сепарации. Доклады академии наук, 1994, том 334, N4, с.445-448

13. P.F. Linden, J.M. Redondo. Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability. Part I: Global mixing. Phys. Fluids A 3(5), May 1991, p. 1269-1277.

14. M.J. Andrews, D.B. Spalding. A simple experiment to investigate two-dimensional mixing by Raylegh-Taylor instability. Phys. Fluids A, Vol.2, No.6, June 1990, p.922-927

15. Ю.Л. Шаров, B.B. Голуб, А.Е. Ким, A.M. Шульмейстер. Работа высокоскоростной кинокамеры ВСК-5 совместно с теневым прибором ИАБ-451. ПТЭ N5, 1986, с.212-214

16. Г.Д. Саламандра. Фотографические методы исследования быстро-протекающих процессов. Наука 1974. с.150-157

17. A.A. Самарский, Ю.П. Попов. Разностные методы решения задач газовой динамики. Москва "Наука" 1980.

18. Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвила-дзе. Математическая теория горения и взрыва. Наука 1980. с.42

19. А.Н. Хитрин. Физика горения и взрыва. Московский университет 1957. с.279-283

20. Дж. Гиршфельдер, Ч. Кертисс, Р. Берд. Молекулярная теория газов и жидкостей. Иностранная литература, Москва 1961. с. 409480.

21. Н. А. Иногамов. Турбулентная стадия Тейлоровской неустойчивости. Письма в ЖТФ, том 4, вып. 12, Наука 1978, с. 743-747.