極端條件下材料混合的分子動力學研究

《極端條件下材料混合的分子動力學研究》是依託中國科學技術大學，由黃生洪擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：極端條件下材料混合的分子動力學研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：黃生洪
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

研究極端條件下（高能量環境：壓力＞＞百GPa，溫度＞＞萬開）由RM不穩定性誘發的材料混合在慣性約束聚變（ICF）、超音速燃燒等領域具有重大的工程意義和學術價值。由RM不穩定性誘發的湍流混合，是一種與動力學條件-熱力學狀態、材料物性（可壓縮性、強度、表面張力、粘性等）、界面初始擾動等三方面因素密切相關的複雜流體動力學現象。對於一般熱動力學狀態下（低能量環境）的此類現象，國內外已開展有較多實驗與數值模擬研究。極端熱動力學狀態下，物質將發生電離，材料物性將發生較大變化，混合行為預期也將與非極端條件有較大變化，相關問題研究國內外目前均處於起步階段。本研究利用第一性原理分子動力學方法，獲得極端條件下的材料物性並發展相關勢函式，進而開展不同熱動力學條件下鉛、氦材料混合的分子動力學數值模擬，並結合實驗，揭示極端條件與非極端熱力學條件下金屬/氣體RM不穩定性誘發湍流混合物理機制及其差異。

結題摘要

衝擊載入下的材料混合界面不穩定性是目前慣性約束核聚變研究中的關鍵基礎問題，其挑戰主要來源於極端熱動力學條件（P≫100GPa,T ≫10000 K），特別是物質電離引起的材料物性、熱力學狀態等性質的急劇變化，為相關理論、實驗和數值模擬帶來巨大的挑戰。本研究針對極端條件下的材料混合問題，開展了基於分子動力學的微觀模擬及巨觀實驗,主要進展包括：（1）驗證了微納米尺度下的RMI 同巨觀尺度下的RMI 有相似的演化現象，在計算時間尺度內滿足相同演化規律，為巨觀實驗與微觀模擬結果的比較與驗證提供了理論依據；（2）發現極端載入條件下RMI 的演化呈現新的特徵，即振幅增長的線性段加長和非線性段振幅增長速度高於無電離效應算例，並得到了Nova 實驗結果證實及本研究巨觀實驗結果的印證；這一結果為首次發現。（3）發現極端條件下，激波作用會產生電荷分離，並誘導附加電場產生。獲得了附加電場對運動界面的加速模型及影響機理，為相關新現象提供了物理解釋；（4）發現極端載入的柱面匯聚過程中，匯聚激波誘導的電荷分離效應會對匯聚過程和匯聚點產生重要影響；（5）發展了一種基於SPH接觸算法的界面高保真新算法,獲得了清晰的多介質大密度差界面演化模擬結果，為發展界面多尺度模擬奠定了算法基礎。總之，本研究結合理論模擬和實驗，建立了從微觀到巨觀的研究技術途徑，獲得了從非極端到極端載入壓力範圍內界面擾動演化規律的新認識，並且取得了精細的理論模擬結果和實驗數據，為進一步開展理論建模和數值模擬奠定了基礎