[論文レビュー] A Radiation-Hydrodynamics Code Comparison for Laser-Produced Plasmas: FLASH versus HYDRA and the Results of Validation Experiments

Chris Orban, Milad Fatenejad+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2013

Laser-induced spectroscopy and plasma参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、レーザー誘発アルミニウムプラズマの分野において、FLASH放射流体力学コードを確立済みのHYDRAコードと比較し、2次元円柱座標および直交座標系の両方で良好な一致を示した。プレパルス加熱およびV字溝ターゲット実験の両方において、電子密度とプラズマ拡散のモデル化精度が確認され、メッシュスキーム、状態方程式（EOS）、透過率モデルの違いにもかかわらず、実験的干渉計測定データおよびHYDRAシミュレーションと密接に一致した結果が得られた。

ABSTRACT

The potential for laser-produced plasmas to yield fundamental insights into high energy density physics (HEDP) and deliver other useful applications can sometimes be frustrated by uncertainties in modeling the properties and expansion of these plasmas using radiation-hydrodynamics codes. In an effort to overcome this and to corroborate the accuracy of the HEDP capabilities recently added to the publicly available FLASH radiation-hydrodynamics code, we present detailed comparisons of FLASH results to new and previously published results from the HYDRA code used extensively at Lawrence Livermore National Laboratory. We focus on two very different problems of interest: (1) an Aluminum slab irradiated by 15.3 and 76.7 mJ of "pre-pulse" laser energy and (2) a mm-long triangular groove cut in an Aluminum target irradiated by a rectangular laser beam. Because this latter problem bears a resemblance to astrophysical jets, Grava et al., Phys. Rev. E, 78, (2008) performed this experiment and compared detailed x-ray interferometric measurements of electron number densities to HYDRA simulations. Thus, the former problem provides an opportunity for code-to-code comparison, while the latter provides an opportunity for both code-to-code comparison and validation. Despite radically different schemes for determining the computational mesh, and different equation of state and opacity models, the HYDRA and FLASH codes yield results that are in excellent agreement for both problems and with the experimental data for the latter. Having validated the FLASH code in this way, we use the code to further investigate the formation of the jet seen in the Grava et al. (2008) experiment and discuss its relation to the Wan et al. (1997) experiment at the NOVA laser.

研究の動機と目的

• オープンソースのFLASH放射流体力学コードに新たに実装された高エネルギー密度物理学（HEDP）機能の妥当性を検証すること。
• ローレンス・リバモア国立研究所で長年にわたり使用されている確立済みのHYDRAコードとの直接比較を通じて、FLASHシミュレーションの精度を評価すること。
• V字溝ターゲット実験におけるX線干渉計測定による電子密度の実験的測定値と比較し、FLASHの予測能力を検証すること。
• FLASHシミュレーションを用いて、レーザー照射V字溝ターゲットにおけるジェット形成の物理的メカニズムを調査すること。
• 異なる状態方程式（EOS）モデル（PROPACEOSおよびSESAME）がFLASHシミュレーション結果に与える影響を評価すること。

提案手法

• プレパルスレーザーエネルギー（15.3–76.7 mJ）によるアルミニウムスラブターゲットの2次元放射流体力学的シミュレーションを、FLASHおよびHYDRAコードを用いて実施した。
• 長さ数mmの三角形の溝をアルミニウムターゲットに加工し、直交形状のレーザー光ビーム照射下で2次元直交座標系モデルを維持した。
• FLASHでは適応メッシュ細分化（AMR）を、HYDRAでは任意ラグランジュ・エーランジアン（ALE）スキームを用いてメッシュ管理を実施した。
• FLASHではPROPACEOSおよびSESAMEの異なるEOSモデルを用い、状態方程式の仮定に依存する感度を評価した。
• プラズマ密度、温度、放射エネルギー、および剥離フロントの進化について、FLASHとHYDRAの結果を直接比較した。
• プラズマの剥離と中間面加熱のメカニズムを検討し、流れの圧力と混合効果に注目してジェット形成のメカニズムを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プレパルス条件下におけるレーザー照射アルミニウムプラズマの拡散および加熱予測に関して、FLASHとHYDRAシミュレーションの結果はどの程度一致するか？
• RQ2 メッシュスキームの違い（AMR 対 ALE）およびEOSモデルの違いが、FLASHとHYDRAの結果の一致度にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 FLASHシミュレーションは、V字溝ターゲット実験におけるX線干渉計測定による電子密度測定値をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 V字溝レーザープラズマ実験におけるジェットのコリメーションおよび横方向構造を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ5 溝の斜面からのプラズマ剥離が、中心ジェットの速度およびコリメーションにどのように影響を及えるか？

主な発見

• FLASHとHYDRAの両シミュレーションにおいて、プレパルススラブおよびV字溝ターゲットの両方で、ほぼ同一のプラズマ密度および温度プロファイルが得られ、良好な一致が確認された。
• FLASHコードにおいてPROPACEOS EOSモデルを用いた場合、HYDRAシミュレーションおよび実験的干渉計測定データの両方と最も一致した結果が得られた。
• FLASHにおける剥離フロントは、HYDRAと比較してわずかに高い密度に達し、ターゲット内により深く浸透していたが、これはFLASHにポンドローマス力が存在しないことによるものではなかった。
• プレパルス強度域ではポンドローマス力が無視できるほど小さく、FLASHのエネルギー吸収のみを仮定するモデルが、この領域では妥当な近似であることが確認された。
• V字溝実験におけるジェットは、主に中間面加熱によって駆動されており、コリメーションは斜面から剥離するプラズマの流れの圧力が支配的である。
• ジェットの横方向構造は、溝の側面から剥離するプラズマが中心ジェットと相互作用することによって生じ、この混合効果により自由拡散するスラブターゲットと比較してジェット速度が低下する。