Föreställ dig en flaska salladsdressing som innehåller olja och vinäger. Oljan har en lägre densitet än ättika, så det flyter på vinägern. Oljan förblir inte instängd under vinägern om flaskan vänds upp och ner. Det kommer att bubbla upp genom vinägern tills ett stabilt tillstånd återställs.

Denna enkla fysiska process är känd som Rayleigh -Taylor instabilitet, och det kan hittas på många ställen inklusive i atmosfären, hav, döende stjärnor och experiment med tröghetsinneslutning (ICF) vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Rayleigh-Taylor-instabilitet är relaterad till en annan instabilitet som kallas Richtmyer-Meshkov-instabilitet, som uppstår när en stötvåg impulsivt accelererar ett gränssnitt mellan två vätskor. Richtmyer-Meshkovs instabilitet motsvarar ungefär att slå flaskan salladsdressing mot ett bord.

I ICF, instabilitet i gränsytan mellan två plasma med olika täthet kan leda till blandning och turbulens, vilket kan försämra kapselns prestanda. Dessa fenomen har studerats i årtionden vid LLNL och på andra håll. En långvarig utmaning har varit att förstå hur instabilitet, blandning och turbulens vid förhållanden med hög energidensitet (HED) – som de som förekommer i ICF – liknar eller skiljer sig från de vid icke-HED-förhållanden. Termen HED avser termodynamiska tryck större än 1 Mbar.

I en ny tidning i Journal of Fluid Mechanics , en större beräkningsstudie av chockinducerad instabilitetstillväxt och blandning vid HED-förhållanden presenteras. Jason Bender, LLNL fysiker och huvudförfattare till studien, sa att forskningen är den första i sitt slag, uttryckligen fokuserat på att använda tredimensionella hydrodynamiska strålningssimuleringar för att kvantifiera hur HED-blandning liknar eller skiljer sig från icke-HED-blandning. Simuleringarna överensstämmer med experimentella data från åtta skott som avlossats vid National Ignition Facility (NIF) som en del av Reshock -kampanjen.

Arbetet är kulmen på nästan fem års forskning av ett tvärvetenskapligt team av 16 LLNL-forskare. Medförfattare till studien inkluderar Oleg Schilling, Kumar Raman, Robert Managan, Britton Olson, Sean Copeland, C. Leland Ellison, David Erskine, Channing Huntington, Brandon Morgan, Sabrina Nagel, Shon Prisbrey, Brian Pudliner, Philip Sterne, Christopher Wehrenberg och Ye Zhou.

Bender sa att laget identifierade flera trender i HED-blandningsskikten som liknar dem i icke-HED-blandningsskikt.

"Vi beräknar att påverkan av en andra stöt eller "omslag" på HED-blandningsskikten ökar turbulent kinetisk energi med över en storleksordning, liknande det som har hittats i icke-HED-scenarier, " förklarade han. "Omvänt, vi lyfter fram två trender som är unika för HED -regimen. Först, vi visar att, under omchock, genereringen av virvel - en nyckelstorhet inom vätskemekanik - inkluderar ett väsentligt bidrag förknippat med dilatation."

Detta fynd framhäver vikten av plasmakompressibilitet och det utmanar ett konventionellt antagande att virvelgenerering i flöden med Rayleigh-Taylor och Richtmyer-Meshkov instabilitet främst beror på baroklinisk produktion. Andra, forskningen visar att mekanismen för fri elektrons termisk ledning avsevärt mjukar upp lokala densitetsgradienter i blandningsskikten, vilket orsakar en mindre men icke försumbar minskning av blandningen i förhållande till ett flöde utan denna mekanism. Rollen av fri-elektronens värmeledning för att transportera energi i ICF är välkänd. Dock, ingen tidigare studie har specifikt isolerat och kvantifierat dess roll i HED-chock-inducerad blandning.

Bender sa att den nya studien krävde talanger och expertis hos ett tvärvetenskapligt team av LLNL-forskare, inklusive teoretiker, experimentalister, designers och beräkningsvetare. Simuleringarna krävde mer än 2,9 miljoner core-timmar på Livermore Computing-resurser. Studien tar ett beräkningsvetenskapligt tillvägagångssätt, vilket innebär att den drar slutsatser som inte kunde nås enbart via teori eller experiment. Teamet utnyttjade många beräkningsmodeller och simuleringsmöjligheter som bara utvecklades under det senaste decenniet.

Bender sa också att uppsatsen belyser grundläggande fysiska processer inom ICF och astrofysik. Särskilt, det kommer att informera modeller om blandning och turbulens som används för att designa ICF-kapslar och förstå deras prestanda.

"Studien drevs av en stark pedagogisk motivation, "sa han." Papperet skrevs för att vara en omfattande guide till modern simulering av tillväxt och blandning av HED -instabilitet, tillgänglig både för ICF-forskare och för experter på traditionell icke-HED-vätskemekanik. Alla styrande ekvationer och viktiga fysiska modeller är dokumenterade och beskrivna med hänvisningar till mer än 140 referenser."

Bender sa att många öppna frågor kvarstår om instabilitetstillväxt och blandning vid de extrema förhållanden som ses inom ICF och astrofysik. Olika experimentella och modelleringsinsatser (med stöd av många av författarna) pågår för att ta itu med dessa frågor. Kommande utvecklingar på LLNL, såsom röntgenradiografi med högre upplösning vid NIF och simuleringskoder med numeriska diskretiseringsscheman med högre ordning, kommer att hjälpa till att bana väg för spännande nya upptäckter inom HED-vätskemekanik.

Studien har sitt ursprung som en del av Reshock Campaign på NIF. Ursprungligen tänkt och utvecklad av Raman och Stephan MacLaren 2014, Reshock-kampanjen producerade en HED-analog av icke-HED-experiment på Richtmyer-Meshkov-instabiliteten, att informera om modellutveckling för ICF-forskning. Med ansträngningar från de ledande experimentalisterna Huntington och Nagel, huvuddesignerna Raman och Bender och många andra, Reshock-kampanjen avfyrade dussintals NIF-skott mellan 2014 och 2020. Tidigare publikationer inkluderar Nagel et al., Plasmas fysik , Ping Wang et al., Journal of Fluids Engineering , och Huntington et al., Hög energidensitetsfysik .