[论文解读] On Rayleigh-Taylor interfacial mixing

E. E. Meshkov, Snezhana I. Abarzhi|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 54被引用 11

一句话总结

本文通过理论建模与高雷诺数实验相结合，研究了瑞利-泰勒界面混合中的有序性与层流化潜力。结果表明，非均匀、各向异性的加速混合偏离了各向同性湍流，表现出强烈的关联性、微弱的涨落，且对确定性条件敏感。理论与实验均证实加速度与剪切具有稳定作用，表明复杂流动中存在类似层流的行为。

ABSTRACT

The Rayleigh-Taylor instability develops when fluids are accelerated counter to their density gradients; intense interfacial fluid mixing ensues with time. The Rayleigh-Taylor mixing controls a broad range of processes in fluids, plasmas, materials, at astrophysical and at atomic scales. In this perspective paper we briefly review theoretical and experimental approaches, and apply theory and experiment to investigate order and disorder in Rayleigh-Taylor flows. The theory finds that properties of heterogeneous anisotropic accelerated Rayleigh-Taylor mixing depart from those of homogeneous isotropic inertial turbulence, including strong correlations, weak fluctuations, and sensitivity to deterministic conditions. The experiment unambiguously observes the heterogeneity and anisotropy of Rayleigh-Taylor mixing at very high Reynolds numbers, and the stabilizing effects of acceleration and accelerated shear on the interfacial dynamics. The theory and the experiment agree with one another and evince that Rayleigh- Taylor mixing may exhibit order and laminarize, similarly to other accelerated flows, thus opening new perspectives for research of complex processes in nature and technology.

研究动机与目标

• 理解加速条件下瑞利-泰勒界面混合从无序到有序的转变机制。
• 研究各向异性和非均匀性如何影响加速流中的混合动力学。
• 考察确定性条件、加速度与剪切在稳定界面混合中的作用。
• 协调理论预测与高雷诺数瑞利-泰勒流中的实验观测结果。
• 探索复杂、加速流体混合过程中可能出现的层流化现象。

提出的方法

• 基于流体力学与不稳定性理论，对非均匀、各向异性的加速瑞利-泰勒混合进行理论分析。
• 应用非各向同性、非均匀的湍流模型，描述强加速度下的混合行为。
• 开展高雷诺数实验，观测受控瑞利-泰勒构型中的界面动力学。
• 测量速度与密度涨落，量化关联强度与湍流强度。
• 将实验数据与理论预测进行对比，验证模型对初始与边界条件的敏感性。
• 将剪切加速度作为控制参数，评估其对界面混合的稳定影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在加速的瑞利-泰勒混合中，各向异性和非均匀性如何偏离均匀各向同性湍流？
• RQ2 确定性初始条件在塑造界面混合演化过程中起什么作用？
• RQ3 加速度与剪切在多大程度上稳定瑞利-泰勒流的界面动力学？
• RQ4 在特定加速度条件下，瑞利-泰勒混合是否可能表现出类似层流的行为？
• RQ5 在高雷诺数下，强关联性与微弱涨落如何在实验观测中体现？

主要发现

• 理论建模表明，加速的各向异性的瑞利-泰勒混合表现出强烈的时空关联性与微弱的涨落，与各向同性湍流显著不同。
• 实验结果证实，在极高雷诺数下，界面混合中存在非均匀性与各向异性。
• 加速度与剪切加速度被证明对界面动力学具有显著的稳定作用。
• 理论预测与实验结果高度一致，验证了模型对确定性初始条件的敏感性。
• 在适当的加速度条件下，瑞利-泰勒混合可能表现出层流化，类似于其他加速流。
• 研究结果表明，自然界与技术应用中的复杂混合过程可能比以往认为的更具可预测性与可控性。