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极端条件下碳氢材料Richtmyer-Meshkov不稳定性的多尺度研究

批准号:
12104507
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈博
学科分类:
极端环境下的原子分子物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈博

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
极端条件下碳氢材料的Richtmyer-Meshkov不稳定性在惯性约束聚变、高超声速国防尖端武器、天体物理各类射流的形成和演化等领域有着广泛且重要的应用背景。其涉及多尺度、强非线性及湍流等问题,发展过程包括元素分层及电子电离等因素,物理图像十分复杂,如何处理并描述其演化过程仍充满了挑战。本项目拟发展一种多尺度模拟方法,结合机器学习方法描述原子相互作用以及粗粒化模型。并利用其研究极端条件下物质界面流体力学不稳定性的发展过程,深入到原子内部刻画其线性、弱非线性与非线性阶段的演化过程,探究界面扰动、流体密度比、可压缩性、粘度以及电子激发、电离等因素对不稳定性发展的影响。这对惯性约束聚变、冲击压缩物理以及天体物理等领域具有重要意义。
英文摘要
The Richtmyer-Meshkov hydrodynamic instability of hydrocarbon materials under the extreme conditions has a broad and important application background in the fields of inertial confinement fusion, hypersonic defense weapons, and the formation and evolution of various jets in astrophysics. It involves many issues, such as multi-scale, strong nonlinearity, turbulence and so on. Its development includes species separation and electron ionization with complex processes, which is still a severe challenge to give a precise description. This project intends to develop a multi-scale method to investigate the evolution of the hydrodynamic instability under extreme conditions, combining machine learning to describe the atomic interactions and coarse-grained models. We will give an atomic insight into the linear, weak-nonlinear and nonlinear processes. The effects of interfacial disturbance, density ratio, fluidic compressibility and viscosity, electron excitation, ionization and other factors on the development of instability will be taken into consideration. These will be of great significance to the fields of inertial constraint fusion, shock compression physics and astrophysics.
本研究主要构建了碳氢体系的第一性原理精度机器学习势函数及粗粒化力场,并结合多尺度冲击技术探讨了冲击压缩下碳氢化合物的结构变化、热力学行为。成功构建了覆盖宽温度(300–8000 K)和压力(常压–350 GPa)范围的碳氢体系、纯碳(金刚石)体系及氢氦混合体系的机器学习势函数,并成功应用在了极端条件的金刚石相变、氢氦分层等关键科学问题中。通过分子动力学模拟得到了碳氢材料在高速冲击(15 km/s)下的元素分层(C/H分离)和金刚石成核现象,揭示碳氢体系在强冲击下“分解→分层→成核”的三步相变路径。验证了冲击波速度与相变阈值的关系,得到了解离与分层的热力学相图,理论模型成功解释了实验中发现的冲击压缩导致分层的现象。最后通过分子动力学模拟揭示了RM不稳定性演化规律,发现界面扩散效应导致线性增长率衰减,提出了基于衰减因的修正理论模型,量化了活塞速度、初始振幅、Atwood数等因素对衰减效应的影响。本研究通过机器学习势函数开发、多尺度模拟与理论创新,系统揭示了极端条件下材料动力学行为及界面不稳定性的物理机制。相关理论与数据不仅可以为深化高压物理、冲击动力学提供理论基础,更在行星科学、惯性约束聚变等领域展现出应用价值,为相关领域的实验设计与技术研发提供支撑。
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