Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

喷气Z箍缩内爆动力学过程的数值模拟研究

在分析了喷气Z箍缩内爆等离子体物理过程的基础上，作了必要的假定和简化，给出了物理模型和相应的数学方程组.研制了一维三温辐射磁流体动力学的数值模拟程序，对氖喷气Z箍缩内爆产生高温高密度等离子体过程进行了总体数值模拟，得到了等离子体各参量在内爆过程中的时空分布，再现了该内爆动力学整体过程，并与GAMBLE-Ⅱ装置的实验结果进行了比较.计算结果表明，在对热传导系数和等离子体电阻率作适当调整后，得到的计算结果是自洽的，其中内爆到心时刻、x射线辐射脉冲的脉宽和总能量等宏观量与实验结果比较接近.同时对喷气Z箍缩内爆过 关键词： 喷气Z箍缩 x射线辐射 辐射磁流体动力学     

Z箍缩丝阵烧蚀的简单模型数值模拟

丝阵烧蚀在丝阵Z箍缩动力学中扮有重要角色,透彻理解丝阵烧蚀对于丝阵Z箍缩动力学的研究至关重要。采用简单模型数值模拟了烧蚀过程,该模型物理上采用绝热、单流体、单相、磁流体力学近似,数值上采用欧拉法结合保单调输运格式来离散。数值结果很好地展示了烧蚀过程的主要特征,例如芯-冕结构、径向等离子体流、轴线上先驱等离子体柱的形成、静止丝芯的长寿命以及延长的烧蚀期,一些关键时间参数定量或定性地相符于文献报道的实验和数值结果,例如冕等离子体角向融合的时刻、等离子体首次到达轴线的时刻、丝芯静止持续的时间、最后的箍缩滞止时刻,但某些方面略有差异。     

Z箍缩丝阵烧蚀的简单模型数值模拟

丝阵烧蚀在丝阵Z箍缩动力学中扮有重要角色,透彻理解丝阵烧蚀对于丝阵Z箍缩动力学的研究至关重要。采用简单模型数值模拟了烧蚀过程,该模型物理上采用绝热、单流体、单相、磁流体力学近似,数值上采用欧拉法结合保单调输运格式来离散。数值结果很好地展示了烧蚀过程的主要特征,例如芯-冕结构、径向等离子体流、轴线上先驱等离子体柱的形成、静止丝芯的长寿命以及延长的烧蚀期,一些关键时间参数定量或定性地相符于文献报道的实验和数值结果,例如冕等离子体角向融合的时刻、等离子体首次到达轴线的时刻、丝芯静止持续的时间、最后的箍缩滞止时刻,但某些方面略有差异。     

Z箍缩丝阵动态烧蚀的二维数值模拟

采用FOI-PERFECT程序对局域欧姆加热主导的动态烧蚀进行了数值模拟研究, 定量诊断并比较了烧蚀率、先驱电流和烧蚀时间, 考查烧蚀阶段之初的丝等离子体的直径和丝阵的丝数对烧蚀的影响, 结果表明, 在等离子体流建立后, 随丝数或者丝径的增加, 烧蚀率增大, 先驱电流减少, 烧蚀时间减小。     

Z箍缩丝阵动态烧蚀的二维数值模拟

采用FOI-PERFECT程序对局域欧姆加热主导的动态烧蚀进行了数值模拟研究,定量诊断并比较了烧蚀率、先驱电流和烧蚀时间,考查烧蚀阶段之初的丝等离子体的直径和丝阵的丝数对烧蚀的影响,结果表明,在等离子体流建立后,随丝数或者丝径的增加,烧蚀率增大,先驱电流减少,烧蚀时间减小。     

Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayle igh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。     

Z箍缩内爆等离子体研究新进展

目的,快过程Z箍缩内爆等离子体可以把储存的脉冲功率加速器内155的电能转化为大能量、高功率的X射线源,美国Sandia实验室的Z装置已经产生了总能量为1.8MJ、功率为290TW和黑腔湿度超过200eV的X射线源,这些进展正在用于惯性约束聚变（ICF）实验研究,并对它的后续装置X－1正在进行概念性设计,文章概要地叙述了Sandia实验室近五年来在Z装置上进行Z箍缩实验所取得的进展。     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

Simulation for double shell pinch

Basic shock phenomena are presented in a composite pinch, a hybrid of the Z-pinch. The successive transfer of current within the plasma structure is demonstrated by our calculations. Properties of the shock wave are described.The current distribution between the two shells after the outer shell hitting the inner shell is also discussed.     

等离子体断路开关的一维磁流体力学数值模拟

 采用磁流体力学的方法对等离子体端路开关进行了一维数值模拟，通过对给定的进入等离子体的电流波形模型的计算，给出了轴向上等离子体的运动及其不同时刻的密度分布，分析了磁场在等离子体内部的异常渗透过程，指出考虑Hall效应是产生这一异常现象的最为主要的因素。     

Two-Level Finite Element Iterative Algorithm Based on Stabilized Method for the Stationary Incompressible Magnetohydrodynamics

In this paper, based on the stabilization technique, the Oseen iterative method and the two-level finite element algorithm are combined to numerically solve the stationary incompressible magnetohydrodynamic (MHD) equations. For the low regularity of the magnetic field, when dealing with the magnetic field sub-problem, the Lagrange multiplier technique is used. The stabilized method is applied to approximate the flow field sub-problem to circumvent the inf-sup condition restrictions. One- and two-level stabilized finite element algorithms are presented, and their stability and convergence analysis is given. The two-level method uses the Oseen iteration to solve the nonlinear MHD equations on a coarse grid of size H, and then employs the linearized correction on a fine grid with grid size h. The error analysis shows that when the grid sizes satisfy h=O(H2), the two-level stabilization method has the same convergence order as the one-level one. However, the former saves more computational cost than the latter one. Finally, through some numerical experiments, it has been verified that our proposed method is effective. The two-level stabilized method takes less than half the time of the one-level one when using the second class Nédélec element to approximate magnetic field, and even takes almost a third of the computing time of the one-level one when adopting the first class Nédélec element.     

轴向流对Z箍缩等离子体稳定性的影响

利用理想磁流体力学(MHD)模型对有轴向流参与的Z箍缩等离子体不稳定性进行了分析.对可压缩平板等离子体模型的色散关系进行了推导，讨论了三种不同等离子体状态下的不稳定性增长率.结果显示，等离子体的可压缩性对磁瑞利-泰勒/开尔文-亥姆霍兹(MRT/KH)杂化不稳定性有抑制作用，改善了轴向剪切流对长波长扰动的影响.分析了不同轴向流速度分布对系统稳定性的影响.结果表明，对于峰值相同的不同轴向流，其对不稳定性的抑制效果只依赖于扰动集中区域内速度剪切的大小，与其他位置的速度剪切无关. 关键词： Z箍缩 磁瑞利-泰勒不稳定性 轴向剪切流 MHD方程     

轴向剪切流对Z箍缩等离子体瑞利-泰勒不稳定性的抑制

利用理想磁流体力学模型对有轴向剪切流的Z箍缩等离子体不稳定性进行了分析。给出了可压缩模型的色散关系,分别对可压缩及不可压缩模型中轴向剪切流对Z箍缩等离子体瑞利-泰勒不稳定性的抑制作用进行了比较,讨论了可压缩性对含有轴向剪切流系统不稳定性的影响。结果表明,可压缩性能够减缓瑞利-泰勒P凯尔文-亥姆霍兹(RTPKH)模扰动的增长,因而使得轴向剪切流对系统不稳定性的抑制作用表现得更为突出。计算结果还说明,在RT不稳定性线性增长阶段,等离子体温度较低,使用可压缩模型能够更真实地描述系统的状态。     

PTS装置Z箍缩负载设计分析

介绍了PTS装置丝阵负载设计思路,用简化的薄壳模型(零维)和辐射磁流体力学模型(一维)数值模拟了丝阵Z箍缩内爆过程,给出了PTS丝阵负载设计参数,分析了初步优化结果,确定了优化选择的箍缩常数.经脉冲功率驱动器与负载优化匹配设计,PTS实验平台能够获得100TW量级的X射线功率,最佳插头能量转换效率10%.预计PTS实验平台的X射线输出能力基本达到Saturn装置长脉冲模式放电的水平.结果将为PTS开展Z箍缩研究提供有价值的参考. 关键词： PTS装置 Z箍缩丝阵负载 零维薄壳模型 一维辐射磁流体力学数值模拟     

等离子体喷射轴心铝丝的磁流体动力学模拟

 采用一维拉格朗日磁流体力学（MHD）程序研究了等离子体喷射轴心单丝的物理现象，给出了碰撞后铝丝受热膨胀和最后箍缩到轴心的整个过程图像，指出这一设计方法能在轴心丝上获得较高的电流上升率和较高的轴心压缩密度，并还给出了箍缩所得的功率和能量曲线。     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流（MA）脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示：当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5 T和250 eV时,即可获得超过4 keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。