磁化等离子体中Richtmyer-Meshkov不稳定性的理论研究

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当激波入射到受扰动的流体界面或者受扰动的流体界面被突然加速时,通常会有Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的发生。RM不稳定性在天体物理中的超新星爆发过程以及惯性约束核聚变中,都扮演着重要的角色。当星球内核塌缩所产生的向外传播的激波穿越氘氚分界面时,会有RM不稳定性的发生。在惯性约束核聚变中,由激波引起的靶丸上缺陷的增长,将破坏靶丸的对称性,成为聚变燃料在内爆末期达到点火条件的主要障碍。对于RM不稳定性的理论描述,存在着几种理论,包括Richtmyer脉冲模型、线性可压缩理论、非线性理论以及烧蚀RM理论等。本文,我们讨论磁化等离子体中的RM不稳定性,具体内容包括: 1、我们讨论了切向磁场与剪切速度对RM不稳定性的影响。通过求解磁流体力学方程组,我们解析地得到了描述界面扰动幅度的表达式以及不稳定性发生的判据。结果表明,当(1-A2t)δ2u>4v2α时,界面扰动幅度随时间指数增长。其中At是Atwood数,δu是界面两侧流体的切向相对速度,vα是平均阿尔芬速度。增长率随着切向相对速度的增加而变大,随着磁场的增强而减小。因此,磁场对RM不稳定性有着致稳作用,剪切速度对RM不稳定性有着退稳作用。当二者都存在时,二者之间存在着相互竞争;系统是否稳定,取决于二者究竟谁占主导地位。 2、由粘性磁流体力学方程组出发,我们解析地得到了激波斜入射情况下粘性磁流体中描述RM不稳定性界面扰动幅度的表达式以及不稳定性发生的条件。结果表明,切向磁场的存在会提高不稳定性发生条件的阈值。当磁场足够强使得△v<2vα时,界面扰动幅度将以衰减的形式发展,不稳定性不会发生。因此,切向磁场对RM不稳定性有着抑制作用。同时,结果显示,不稳定性发生的条件与粘滞不相关,即△v>2vα时,不管粘滞系数取何值,都会有不稳定性的发生。但是粘滞的存在会减缓不稳定性的增长速度。在这种意义上说,粘滞在一定程度上也抑制着RM不稳定性。 3、我们研究了被突然加速的置于均匀切向外磁场中的N层流体系统中的RM不稳定性。通过分析描述界面扰动速度的二阶线性方程,我们得到了可以求解增长率与初始条件的特征方程,进而我们可以得到描述界面扰动幅度的表达式。于是,我们可以通过将流体划分为这样一个多层密度均匀的不连续系统,来分析任意密度分布的流体系统中的RM不稳定性的演化。作为例子,我们讨论了流体层数N=2和N=3这两种情况下的RM不稳定性。结果表明,切向磁场的存在会导致界面扰动幅度以振荡的形式发展,而不是线性或指数增长。 这说明,切向磁场对RM不稳定性有着抑制作用。我们着重讨论了N=3情况下的“夹心饼干”模型(ρ1=ρ3=ρ<ρ2)。结果显示,由于切向磁场的存在,界面扰动幅度将以一个比较高的频率振荡,同时这些振荡又以一个比较慢的拍频周期变化。当中间层厚度比扰动波长小或与之相当(kt<1或kt~1)时,中间层厚度对界面扰动幅度有较大的影响,且这时两个界面的扰动都将互相影响;若中间层厚度远大于界面扰动波长(kt>>1),界面扰动幅度都将独立发展而不受另外一个界面的影响。
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