用于研究特征驱动射流的实验平台，以验证HED混合模型

高能密度系统中特征驱动的喷射现象及其与不稳定性相互作用的研究，通过Mshock和ModCons实验平台分析不同形状和尺寸特征对喷射动力学的影响，验证数值模拟的准确性并探索多特征喷射交互机制。

C.H. 艾伦 | A.M. 拉斯穆斯 | J.M. 勒维斯克 | E.C. 梅里特 | S. 佩洛内 | K.A. 弗利波 | N. 克里斯蒂安森 | C.A. 迪斯特凡诺 | P. 多诺万 | J. 拉维尔 | K. 洛夫 | J.I. 马丁内斯 | D.W. 施密特 | S.J. 斯tring菲尔德 | C. 威尔逊 | F. 多斯

美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室物理部门，87545

摘要

高能量密度（HED）系统，如惯性约束聚变（ICF），容易受到流体动力学不稳定性的影响，这会显著影响实验结果和建模预测。胶囊中的孤立特征（如填充管或凹陷）可能会由于压缩冲击波激发Richtmyer–Meshkov不稳定性而导致物质喷射，这是ICF效率降低的主要机制之一。对特征驱动喷射及其混合过程的模拟需要大量的实验验证，特别是要了解特征的初始大小和形状对喷射动力学的影响程度，以及不稳定性在下游层中的传播情况。更好地理解特征驱动喷射现象可以提高我们的混合建模能力并提高流体动力学模拟的准确性。

本手稿描述了洛斯阿拉莫斯国家实验室为探索特征驱动喷射而部署的一系列实验平台，这些平台是作为 Omega 60和ModCons Omega EP项目的一部分。这些平台旨在根据初始特征的大小和形状来基准测试喷射的演变和增长，研究导致不稳定性传播的喷射-层相互作用，并将用于表征由特征簇产生的喷射-喷射相互作用。文中展示了这两个平台的初步结果。ModCons实验仍在进行中，文中还包含了未来工作方向的讨论。

引言

高能量密度（HED）物质的研究是现代惯性约束聚变（ICF）工作的重要组成部分，这一领域在实验和理论方面都面临着许多挑战。通过激光[1]或脉冲功率[2]驱动器在样品中产生强冲击波可以实现HED条件。冲击波与物质（密度）界面的相互作用会激发Richtmyer–Meshkov不稳定性（RM）[3], [4], [5], [6]，形成特征性的尖峰和气泡结构，从而引发物质之间的混合。根据系统的不同，Rayleigh–Taylor（RT）[7], [8]和Kelvin–Helmholtz（KH）[9], [10]不稳定性可能会加剧这种混合。研究这一现象的多方面实验通常需要复杂的多物理场模拟来解释结果，而这反过来又需要实验基准测试来确保模拟的准确性——尤其是模拟不稳定性增长的模型。因此，这些实验可以作为代码验证的有用平台，并且在过去几十年中已经针对HED条件下RM、RT和KH的单独和组合出现情况进行了专门设计[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。

特别值得关注的是由于ICF填充管、接头或支架[26], [27], [28], [29]中的孤立“特征”而产生的物质喷射现象。这些喷射可以将高Z值的胶囊物质混合到燃料区域中，是导致聚变效率降低的主要机制之一[30], [31]。实验中，引起喷射的孤立特征通常是单独的沟槽或凹陷，尽管也可以通过凸起[32]和经典的冲击管实验[33], [34], [35], [36]来研究特征驱动的喷射现象。喷射的形成是由于特征形状与经过的冲击波相互作用的结果；对于重元素到轻元素的系统，初始界面或扰动的相位会因RM不稳定性而发生翻转[37]。当冲击波穿过特征的斜界面时，斜压性会迅速变化，产生额外的涡度，将特征向前拉并形成在周围自由表面之前的物质喷射[38], [39]。了解由已知初始条件（如特征大小和形状）产生的喷射特性，可以对流体动力学模型进行有用的测试；关于来自深而窄的特征的喷射行为以及特征体积如何影响喷射（独立于形状）仍存在未解决的问题[41]。

人们还对由两个或多个特征的不规则组合产生的喷射之间的相互作用感兴趣，这为代码验证提供了独特的机会。这些特征的潜在非均匀大小、形状和间距可以代表ICF胶囊中的中间细节（例如，划痕簇、重元素夹杂物、空洞等），它们比表面粗糙度大但比宏观物体（如填充管）小。

本文详细介绍了洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）正在进行的一项研究活动，该活动旨在研究激光驱动的重元素到轻元素的HED特征驱动喷射。主要目标是确定不同特征如何影响喷射的形状、大小和速度。属于超椭圆家族的不同扰动形状被加工到示踪材料中，并通过冲击波生成喷射。这些超椭圆由以下方程定义：

${\left|\frac{x}{a}\right|}^n|y\left|b\right|n=r^n$$r$其中$x$是扰动半径，$y$是标称直径，$a$和允许不对称性，$n=1$产生一个圆锥体，而$n=2$产生一个半球体，$n\to \infty$则产生一个圆柱体。通过改变$a$$b$$n$，我们可以显著改变界面的斜压性，从而获得可重复的初始条件以研究特定效应。

第2节详细介绍了在LLE（Laboratory for Laser Energetics）的Omega 60激光器上部署这些特征驱动喷射的初始设计工作，这是< />项目的一部分。第3节概述了为估计特征驱动喷射行为和验证设计选择而进行的预喷射模拟。第4节重点介绍了在LLE的Omega EP激光器上的ModCons特征驱动喷射平台及其特定的设计变化。第5节是对本文的总结性结论。关于正在进行分析和最终结果的完整描述将在后续的手稿中给出。

章节摘录

Omega 60上的特征驱动喷射

最初的特征驱动喷射目标是在2018年至2023年间，作为LANL在Laboratory for Laser Energetics的系列项目的一部分设计和部署的。这些实验旨在研究多个冲击波（Mshock = Multi-shock）的效果，这些冲击波以顺序或相反的方式激发显著的RM增长[16]。该平台是之前Reshock平台[44], [45]的进化版本。

特征驱动喷射模拟

作为代码验证平台，必须证明模拟能够适当地与实验结果进行匹配和比较。鉴于特征-喷射实验所探讨的独特物理现象，已经对< />和ModCons进行了模拟。

Mshock目标的预喷射模拟是在< /> [50]代码中进行的，以便与数据进行分析对比，如图3所示。这些模拟是在圆柱对称几何结构中进行的。

Omega EP上的特征驱动喷射

ModCons特征驱动喷射项目是LANL长期使用的HED冲击管平台的最新迭代，自2014年以来一直在Omega EP上使用。最初设计用于研究单模耦合的RM/RT/KH（作为Obli-Shock [19], [55]），最近则用于探索正弦沟槽中的RM增长期间的模式耦合（ModCons = Modal Conditions）[56], [57]。从2024年开始，ModCons》转向了特征驱动喷射目标设计，喷射实验仍在进行中。

结论

本文详细介绍了洛斯阿拉莫斯国家实验室为研究高能量密度物质中由RM引发的特征驱动喷射而进行的广泛平台开发工作。这些研究涵盖了从形状和大小研究到喷射-界面相互作用，未来还将扩展到喷射-喷射组合的研究。这些研究最初在Omega 60的现有< />平台上开始，然后转移到了Omega EP的ModCons平台上。

CRediT作者贡献声明

C.H. 艾伦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。A.M. 拉斯穆斯：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。J.M. 勒维斯克：撰写 – 审稿与编辑，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。E.C. 梅里特：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢Laboratory for Laser Energetics的Omega 60和Omega EP设施工作人员在我们整个项目中的奉献和支持。这项工作得到了美国能源部通过洛斯阿拉莫斯国家实验室的支持。洛斯阿拉莫斯国家实验室由Triad National Security, LLC运营，为美国能源部的国家核安全管理局服务（合同编号：89233218CNA000001）。