MIF固体套筒内爆压缩过程中的MRT不稳定性研究

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在磁惯性聚变的套筒压缩磁化等离子体内爆过程中,真空和套筒界面、套筒和燃料界面由于MRT不稳定性导致扰动剧烈发展,影响聚变等离子体品质。MRT发展程度及其调控是影响磁惯性聚变点火的关键问题,需要开展深入研究。本文以二维理想磁流体力学方程组为基础,采用线性稳定性理论,研究了 MRT不稳定性线性阶段扰动增长率变化规律,基于WENO有限差分法发展二维程序,对MRT不稳定性的单模、多模及多模非线性演化进行了数值模拟研究。主要研究内容和结论如下:(1)基于电磁学和等离子体动理学的基本理论和方程,推导了等离子体的双流体力学描述,包括粒子数、动量和能量守恒方程,在此基础上推导了磁(单)流体力学方程,并进行了归一化,作为数值模拟的基本控制方程。(2)针对MRT发展,基于不稳定性线性理论,使用简正模方法对可压缩磁流体力学方程组进行线性化,得到了 MRT扰动的本征方程组。通过差分离散,将二阶常微分方程组求解转化为了稀疏矩阵本征值和本征函数的求解,研究了均匀分布的平行磁场和垂直磁场条件下不同扰动波数MRT线性增长率的变化规律。结果表明,MRT线性增长率随磁场的增大而降低。磁场垂直于加速度时,存在临界波数和临界磁场,即超过临界磁场时,大于临界波数的MRT不稳定性被完全抑制。而磁场平行于加速度时,MRT不稳定性不能完全抑制。(3)采用5阶WENO有限差分格式结合磁场伪散度清除的投影算法,基于理想磁流体流体力学方程组,发展二维模拟程序,对MRT不稳定性进行了数值模拟研究。通过单模MRT不稳定性数值模拟结果与线性理论的对比验证了数值模拟程序的准确性和有效性。数值模拟结果表明,垂直磁场可以在线性和非线性阶段都对MRT扰动发展有显著的制稳作用,而平行磁场在线性阶段对MRT扰动影响较小,但在MRT扰动非线性发展阶段会对由于流场变化产生的KH不稳定性有制稳作用,从而抑制总的扰动发展。在MRT非线性发展过程中,由于波模耦合相互作用,单模演化会产生高次谐波;双模演化会产生了除基模和谐波以外的其他波模,其扰动幅度甚至超过基模;多模演化过程中发生逆级联过程,即短波长扰动逐渐向长波长扰动发展。
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