[论文解读] 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 10

一句话总结

本文通过与在劳伦斯利弗莫尔国家实验室广泛使用的HYDRA代码对比，验证了FLASH辐射流体动力学代码在激光产生铝等离子体中的性能，结果在二维圆柱坐标和笛卡尔坐标系下均表现出极佳的一致性，涵盖预脉冲加热和V形槽靶实验。对比结果证实，FLASH在模拟电子数密度和等离子体膨胀方面具有高精度，其结果与实验的干涉测量数据及HYDRA模拟高度吻合，尽管两者在网格方案、方程态（EOS）和不透明度模型方面存在差异。

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.

研究动机与目标

• 验证开源FLASH辐射流体动力学代码中最新实现的高能量密度物理（HEDP）能力。
• 通过与劳伦斯利弗莫尔国家实验室广泛使用的成熟HYDRA代码直接对比，评估FLASH模拟的准确性。
• 通过与实验X射线干涉测量的电子数密度数据对比，检验FLASH在V形槽靶实验中的预测能力。
• 利用FLASH模拟研究激光辐照V形槽靶中喷流形成背后的物理机制。
• 评估不同状态方程（EOS）模型——PROPACEOS与SESAME——对FLASH模拟结果的影响。

提出的方法

• 使用FLASH和HYDRA代码对预脉冲激光能量（15.3–76.7 mJ）辐照的铝板靶进行二维辐射流体动力学模拟。
• 在矩形激光束辐照下模拟铝靶中长度约1 mm的三角形沟槽，保持平移对称性，适用于二维笛卡尔建模。
• FLASH采用自适应网格加密（AMR），HYDRA采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）格式进行网格管理。
• 在FLASH中采用不同EOS模型（PROPACEOS与SESAME）以评估对状态方程假设的敏感性。
• 直接对比FLASH与HYDRA在等离子体密度、温度、辐射能量及烧蚀面演化方面的结果。
• 通过分析沟槽侧壁等离子体烧蚀与中平面加热过程，研究喷流形成机制，重点关注动压与卷吸效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在预脉冲条件下，FLASH与HYDRA在预测激光辐照铝等离子体膨胀与加热方面表现如何？
• RQ2 计算网格方案差异（AMR vs. ALE）与EOS模型差异在多大程度上影响FLASH与HYDRA结果的一致性？
• RQ3 FLASH模拟在多大程度上能复现V形槽靶实验中X射线干涉测量的电子数密度？
• RQ4 V形槽激光-等离子体实验中喷流准直化与侧向结构的物理机制是什么？
• RQ5 沟槽斜面等离子体烧蚀如何影响中心喷流的速度与准直性？

主要发现

• FLASH与HYDRA在预脉冲板靶与V形槽靶模拟中结果高度一致，等离子体密度与温度分布几乎完全相同。
• 使用PROPACEOS EOS模型的FLASH模拟结果与HYDRA模拟及实验干涉测量数据在电子数密度上最为吻合。
• FLASH中的烧蚀面前沿达到略高的密度并更深入靶材，但此差异并非源于FLASH中缺少辐射压力项。
• 在预脉冲强度下，辐射压力可忽略不计，证实FLASH仅考虑能量沉积的激光模型在此参数区间是合理近似。
• V形槽实验中的喷流主要由中平面加热驱动，其准直化主要由沟槽侧壁等离子体烧蚀产生的动压主导。
• 喷流的侧向结构源于沟槽侧壁等离子体烧蚀与中心喷流的相互作用，该卷吸效应使喷流速度低于自由膨胀板靶的情况。