界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性增长的影响

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流体不稳定性是流体中常见的现象,对该现象的深入研究,有助于人们更好的认识流体。Rayleigh-Taylor(RT)和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性是众多不稳定中常见的界面不稳定性,它们客观的存在于惯性约束聚变、等离子体、天体物理等物理现象之中。RT不稳定性演化大致可以分为三个阶段,第一个阶段是微扰振幅非常小时,微扰振幅将随增长率指数增长。第二阶段是微扰振幅和波长可以比拟时,进入非线性增长,重流体在轻流体中以Spike的形式增长,轻流体在重流体中以Bubble的形式增长,最后Bubble的速度趋于一个恒定的值。第三个阶段就是湍流混合阶段。   如何描述不稳定性第二阶段的演化一直存在争议。基于单模理论,目前主要有两种模型,一种是Layzer建立的速度势模型,该模型早期只适用于无限密度比的流体。后来Zhang、Goncharov等人引入新的速度势,将Layzer模型推广到适用于任意密度比流体。在Zhang、Goncharov等人引进的复杂速度势的基础上,Sohn于引入了一种更为简单的速度势,并利用其研究了理想流体的RT和RM不稳定性,解析结果和数值模拟吻合很好。另一种非线性理论模型是Zufiria模型,该模型早期只适用于无限密度比的流体。后来Sohn将其推广并应用于任意密度比的流体。   最近,利用Layzer模型,Sohn系统研究了界面张力和粘性对RT和RM不稳定性增长的影响。然而,单独研究界面张力或粘性的影响规律目前尚属空白。该研究可以从根本上弄清楚不同因素对RT和RM不稳定性增长影响规律的区别和联系。曹义刚等人利用Zufiria模型系统研究了粘性对RT不稳定性增长的影响发现流体粘性压低Bubble的增长率,而且考虑粘性后Bubble的增长率比Layzer模型的结果更接近实验。本文利用Zufiria模型以及基于简单速度势的Layzer模型,系统研究了界面张力对RT不稳定性的影响,并解析给出了不同模型下考虑界面张力后RTBubble的渐进速度表达式。发现界面张力降低RTBubble的增长率。另外还发现:当阿特伍德数不是很大时,Layzer简单势流模型所得的Bubble渐进速度比Layzer简单势流模型所得的Bubble渐进速度小,但比Zufiria模型所得的Bubble渐进速度大。当Atwood等于1时,复杂速度势模型和简单速度势模型所得Bubble速度完全相同。最后,解析结果和数值模拟进行了比较,发现在Atwood趋于1时,Layzer简单势流模型模型比Zufiria模型给出的Bubble速度更好地接近于数值模拟的结果。
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