Forskere identificerer vigtige tendenser i blandingslag med høj energi-densitet

Forestil dig en flaske salatdressing, der indeholder olie og eddike. Olien har en lavere densitet end eddike, så det flyder på eddiken. Olien forbliver ikke fanget under eddiken, hvis flasken vendes på hovedet. Det vil boble op gennem eddiken, indtil en stabil tilstand er genoprettet.

Denne simple fysiske proces er kendt som Rayleigh -Taylor ustabilitet, og det kan findes mange steder, herunder i atmosfæren, oceaner, døende stjerner og inertial indeslutningsfusion (ICF) eksperimenter ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Rayleigh-Taylor ustabilitet er relateret til en anden ustabilitet kaldet Richtmyer-Meshkov ustabilitet, som opstår, når en stødbølge impulsivt accelererer en grænseflade mellem to væsker. Richtmyer-Meshkov ustabilitet svarer groft sagt til at slå flasken salatdressing mod et bord.

I ICF, ustabilitet i grænsefladen mellem to plasmaer med forskellige tætheder kan føre til blanding og turbulens, som kan forringe kapselydelsen. Disse fænomener er blevet undersøgt i årtier ved LLNL og andre steder. En mangeårig udfordring har været at forstå, hvordan ustabilitet, blanding og turbulens ved betingelser med høj energitæthed (HED)-som dem, der opstår i ICF-ligner eller er forskellige fra dem ved ikke-HED-forhold. Udtrykket HED refererer til termodynamiske tryk større end 1 Mbar.

I et nyt papir i Journal of Fluid Mechanics , en større beregningsmæssig undersøgelse af chok-induceret ustabilitet vækst og blanding ved HED betingelser præsenteres. Jason Bender, LLNL -fysiker og hovedforfatter af undersøgelsen, sagde, at forskningen er den første af sin art, udtrykkeligt fokuseret på at bruge tredimensionelle strålingshydrodynamiske simuleringer til at kvantificere, hvordan HED-blanding ligner eller er forskellig fra ikke-HED-blanding. Simuleringerne er i overensstemmelse med eksperimentelle data fra otte skud affyret mod National Ignition Facility (NIF) som en del af Reshock -kampagnen.

Arbejdet er kulminationen på næsten fem års forskning af et tværfagligt team på 16 LLNL -forskere. Medforfattere af undersøgelsen inkluderer Oleg Schilling, Kumar Raman, Robert Managan, Britton Olson, Sean Copeland, C. Leland Ellison, David Erskine, Channing Huntington, Brandon Morgan, Sabrina Nagel, Shon Prisbrey, Brian Pudliner, Philip Sterne, Christopher Wehrenberg og Ye Zhou.

Bender sagde, at teamet identificerede flere tendenser i HED-blandingslagene, der ligner dem i ikke-HED-blandingslag.

"Vi beregner, at virkningen af ​​et andet stød eller 'reshock' på HED -blandingslagene øger turbulent kinetisk energi med over en størrelsesorden, ligner det, der er fundet i scenarier uden for HED, "forklarede han." Omvendt vi fremhæver to tendenser, der er unikke for HED -regimet. Først, vi viser det, under omstødning, generationen af ​​vorticitet - en nøglemængde inden for væskemekanik - omfatter et betydeligt bidrag forbundet med udvidelse. "

Dette fund fremhæver vigtigheden af ​​plasmakompressibilitet, og det udfordrer en konventionel antagelse om, at vorticitetsdannelse i strømninger med Rayleigh-Taylor og Richtmyer-Meshkov ustabilitet hovedsageligt skyldes baroklinisk produktion. Sekund, forskningen viser, at mekanismen for fri-elektron termisk ledning væsentligt blødgør lokale densitetsgradienter i blandingslagene, hvilket forårsager et mindre, men ikke ubetydeligt fald i blanding i forhold til et flow uden denne mekanisme. Rollen som termoeledning af gratis elektroner ved transport af energi i ICF er velkendt. Imidlertid, ingen tidligere undersøgelse har specifikt isoleret og kvantificeret sin rolle i HED-shockinduceret blanding.

Bender sagde, at den nye undersøgelse krævede talenter og ekspertise fra et tværfagligt team af LLNL -forskere, herunder teoretikere, eksperimentelle, designere og beregningsforskere. Simuleringerne krævede mere end 2,9 millioner kernetimer på Livermore Computing-ressourcer. Undersøgelsen tager en beregningsvidenskabelig tilgang, hvilket betyder, at det drager konklusioner, der ikke kunne nås via teori eller eksperimenter alene. Teamet udnyttede mange beregningsmodeller og simuleringskapaciteter, der kun blev udviklet inden for det sidste årti.

Bender sagde også, at papiret kaster lys over fundamentale fysiske processer inden for ICF og astrofysik. I særdeleshed, det vil informere modeller om blanding og turbulens, der bruges til at hjælpe med at designe ICF -kapsler og forstå deres ydeevne.

"Undersøgelsen var drevet af en stærk uddannelsesmæssig motivation, "sagde han." Papiret blev skrevet til at være en omfattende guide til moderne simulering af HED ustabilitet vækst og blanding, tilgængelig både for ICF-forskere og for eksperter i traditionel ikke-HED-væskemekanik. Alle styrende ligninger og centrale fysiske modeller er dokumenteret og beskrevet med henvisninger til mere end 140 referencer. "

Bender sagde, at der stadig er mange åbne spørgsmål om ustabilitet og vækst og blanding under ekstreme forhold i ICF og astrofysik. Forskellige eksperimentelle og modelleringsindsatser (understøttet af mange af forfatterne) er i gang med at løse disse spørgsmål. Fremtidige udviklinger på LLNL, såsom røntgenradiografi med højere opløsning ved NIF og simuleringskoder med numeriske diskretiseringsordninger med højere ordning, vil hjælpe med at bane vejen til spændende nye opdagelser inden for HED -væskemekanik.

Undersøgelsen stammer fra en del af Reshock -kampagnen på NIF. Oprindeligt udtænkt og udviklet af Raman og Stephan MacLaren i 2014, Reshock-kampagnen producerede en HED-analog af ikke-HED-eksperimenter på Richtmyer-Meshkov-ustabiliteten, at informere modeludvikling for ICF -forskning. Med indsatsen fra blyeksperimentelisterne Huntington og Nagel, ledende designere Raman og Bender og mange andre, Reshock -kampagnen affyrede snesevis af NIF -skud mellem 2014 og 2020. Tidligere publikationer omfatter Nagel et al., Plasmas fysik , Ping Wang et al., Journal of Fluids Engineering , og Huntington et al., Fysik med høj energitæthed .