流向磁場抑制Kelvin-Helmholtz不穩定性機理研究*

石啟陳 趙志杰 張煥好? 陳志華 鄭純

1) (南京理工大學, 瞬態物理國家重點實驗室, 南京 210094)

2) (南京理工大學機械工程學院, 南京 210094)

1 引 言

速度剪切現象普遍存在于自然界各類流動中,在一定條件下, 速度剪切容易發生開爾文-赫姆霍茲(Kelvin-Helmholtz, KH)不穩定性, 卷起形成系列渦結構, 并逐漸發展成為大規模的波狀運動, 最終轉捩成湍流[1].這類經典的不穩定性常出現于行星大氣[2]、太陽風暴[3-5]、太陽風磁頂層[6-8]、磁約束核聚變、飛行器尾流、磁流體發電、等離子體污水處理等過程中.在一些工程應用中, 可以利用流體不穩定性來有效促進流體間的混合, 而在另外一些場合, 則必須抑制流體的不穩定性.例如, 通過穩定排氣射流, 可集中發動機推力, 從而增加飛機的可操控性; 在磁約束核聚變中, 要求整個聚變反應過程受控, 但因粒子隨機運動過程中存在KH不穩定性, 會影響核聚變的穩定性和效率; 在磁流體發電裝置中, 帶電粒子因KH不穩定性的影響而偏離規則運動, 影響發電效率等.基于此, 對磁流體控制混合層不穩定性的方法受到科研人員的廣泛關注.

自KH不穩定性提出以來, 人們利用實驗、理論分析以及數值模擬等方法, 對經典流體中的KH不穩定性現象進行了大量的研究[9].隨著各種計算流體力學算法的提出以及計算機硬件的提升,KH不穩定性的數值模擬研究逐漸成為主流.然而,盡管等離子體流動的相關研究已經開始興起, 但因等離子體流動易受磁場影響, 利用……