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激波诱导流体界面失稳问题不仅是基础研究的前沿课题，而且在惯性约束核聚变(ICF)、超燃冲压发动机等工程中具有重要的应用价值。在ICF内爆过程中，界面失稳导致的物质混合会显著降低能量增益，甚至会导致聚变点火失败。来自中国科学技术大学的罗喜胜教授和丁举春教授团队，针对ICF靶丸的重/中/轻型界面构型，开展了平面激波诱导SF6/Ar/He 双层界面失稳的系统研究。他们在AMS发表的最新工作里，发现存在一个临界间距D, 当两道界面的间距小于D，第二道界面上反射的稀疏波会促进第一道界面的失稳, 反之则抑制，并提出了计算这一临界距离D的理论模型。这项工作为调控靶丸界面的失稳速率提供了理论支撑。

——倪明玖

Interaction of a planar shock wave with two heavy/light interfaces

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Citation

Y. Zhang, Z. Zhou, J. Ding, and X. Luo, Interaction of a planar shock wave with two heavy/light interfaces, Acta Mech. Sin. 38, 322047 (2022), doi.org/10.1007/s10409-022-22047-x

研究背景 

激波诱导流体界面失稳问题在惯性约束核聚变(ICF)、超燃冲压发动机等工程领域具有重大的应用价值。在ICF内爆过程中，界面失稳导致的物质混合会显著降低能量增益，甚至会导致聚变点火失败。已有研究多关注平面激波诱导单层界面失稳问题，然而这与实际ICF靶丸中的界面失稳情形不符。本文针对ICF靶丸呈现的重/中/轻型界面构型，开展平面激波冲击SF6/Ar/He 双层扰动界面的不稳定性研究，拟揭示ICF靶丸界面失稳的内在机制。

研究进展

采用可压缩多组分流动的高精度求解器数值模拟平面激波冲击SF6/Ar/He双层界面的不稳定性问题，重点考察激波强度和界面间距对不稳定性发展的影响。结果表明，在入射激波冲击后第一道界面振幅会逐渐减小到零（反相），随后在相反的方向上持续增长。从第二道界面上反射回来的稀疏波促进或抑制第一道界面的扰动发展，这取决于界面间距 𝐷。如果 𝐷 很小，稀疏波在到达第一道界面时界面还没有完成反相，那么会促进第一道界面的扰动发展；如果 𝐷 很大，稀疏波到达时第一道界面已完成反相，则会抑制第一道界面的扰动发展。对于任意初始激波强度，存在一个临界距离，在此距离下稀疏波作用第一道界面时界面刚好完成反相。本文提出了计算这一临界距离的理论模型，为调控第一道界面的扰动增长速率提供了理论支撑（图1）。

图1不同激波马赫数下数值计算得到的临界距离与理论预测值的对比

第二道界面的失稳是由扰动透射激波冲击无扰动界面引起的，属于非标准 Richtmyer-Meskov不稳定性问题，其扰动增长速率强依赖于冲击界面时扰动激波的相位。综合考虑斜压涡量、速度扰动和压力扰动的影响，本文提出了一个修正的非标准 Richtmyer-Meskov 不稳定性理论模型，可有效预测第二道界面的扰动发展。

未来展望

这项工作揭示了重/中/轻型界面失稳的内在机制，发现界面距离是影响多层界面失稳的一个关键参数，提出通过改变界面距离来调控不稳定性发展速率的思路, 为ICF靶丸的设计和优化提供基础支撑。此外，这项工作推进了多层界面失稳及其诱导的湍流混合研究。

研究的项目基金资助信息

国家自然科学基金重点项目（91952205），优秀青年基金（12122213）。

作者介绍及照片

通讯作者：丁举春，安徽人，中国科学技术大学近代力学系，教授，博导，研究方向：流体界面不稳定性。

第一作者：张一波，浙江人，中国科学技术大学，硕士研究生，研究兴趣：Richtmyer-Meshkov不稳定性数值模拟。

研究课题组介绍（可选）

高速流动与推进研究中心，成立于2007年，是隶属于中国科学技术大学的校级研究机构，中心的学术带头人是罗喜胜教授。本研究中心的学科方向源于钱学森先生创办的“高速空气动力学”，目前的主要研究方向包括超高速流动、界面不稳定性、激波-界面相互作用、激波边界层干扰、湍流和微纳尺度流动等。