爆轰加载下高纯铜界面RT不稳定性扰动增长行为及其主控机制研究

The Rayleigh-Taylor instability phenomena that appear on the perturbed material interfaces are of great theoretical and practical interest in inertial confinement fusion and weapon implosion physics research. Because of its complexity of physical progresses and the limitation of experiment condition and diagnosis techniques, the corresponding principle and physical mechanism about the RT instability perturbation growth behavior are not widely and systematically researched. Moreover, the traditional strength models and parameters derived from the benchmark experiment cannot simulate the perturbation growth well in the RT instability experiment. In this project, we establish the combined diagnostic techniques by X-ray photography and array Photonic Doppler Velocimetry（PDV）, and design HE-driven RT experiments for ramp loading of high purity copper to reach pressures of several tens of GPa and strain-rates of 105~106/s, analyze the influencing factors about the RT instability perturbation growth via the experiments and corresponding simulations, acquire the experimental data and laws of the RT instability perturbation growth with different initial perturbation characteristics, loading pressures and initial microstructures (grain size), and present the corresponding dominant mechanism of RT instability perturbation growth behavior. According to this project, we wish to deepen the knowledge about RT instability in metal, and provide some advices on the design and engineering application of weapon physics.

金属界面出现的RT不稳定性是惯性约束聚变和武器内爆物理研究中关注的重要问题，但由于界面扰动增长的物理过程相对复杂，理论研究滞后、实验和测试技术的限制，导致对RT不稳定性扰动增长行为的相关规律和物理机制还缺乏深入的认识。本项目以高纯铜为研究对象开展金属界面RT不稳定性研究，建立爆轰加载下X光照相和阵列式PDV集束测速联合诊断技术，通过系列对比实验并结合数值模拟，准确获取RT不稳定性扰动增长过程的相关数据，以研究不同的界面初始扰动特征、加载压力状态和材料微观结构（晶粒尺寸）对界面扰动不同增长行为的影响规律及其相应的主控机制，以加深我们对金属RT不稳定性问题的物理认识，为武器物理的相关设计与工程应用提供一定的指导。

金属界面不稳定性是内爆物理压缩过程中关注的重要问题之一，但由于相关理论和实验技术的限制，目前对该问题仍缺乏深入的研究。本项目以高纯铜材料为例，建立了爆轰加载下金属界面Rayleigh-Taylor不稳定性研究的实验诊断技术和数据处理方法，以及二维数值计算模型，得到了不同时刻界面扰动增长的X光图像和相关数值模拟结果。实验测试结果表明：在爆轰产物的无冲击加载条件下扰动波长基本保持不变，而初始扰动幅值越大，界面扰动增长的趋势就越明显；同时随着样品前界面扰动的不断发展，在样品的后自由面也出现了与前界面初始相位相反的扰动特征；在5.26μs时刻，界面扰动幅值增长为初始值的700%左右，应变率达到了约10^5/s。二维数值模拟结果表明：高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性扰动增长与界面扰动的初始幅值和初始波长均密切相关，并存在一个临界幅值，在初始幅值小于临界幅值情况下，界面扰动的增长随初始波长增加而增大，最终趋于一个稳定值；当初始幅值大于临界幅值时,界面扰动的增长情况则相反。样品初始厚度对扰动幅值发展也起到重要作用，并存在一个临界厚度；在扰动增长初期，扰动幅值增长和纯流体模型的计算结果相似，几乎与材料强度无关；在扰动发展后期,材料屈服强度越大，相应地扰动幅值增长就越小。相比较而言，剪切模量对扰动幅值增长过程的影响可以忽略。本项目研究成果可以提高我们对金属界面不稳定性发展的物理认识，并可以为不稳定性相关理论的发展、相关工程物理的精密设计及其应用提供一定的参考或指导。