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ICF中流体不稳定性的数值模拟研究与Hamilton-Jacobi方程的运动网格方法

葛全文  
【摘要】:Hamilton-Jacobi(简称H-J)方程出现于最优控制、计算流体力学、计算机图形图像、微分几何、晶体生长、网格生成等许多领域。近年来,越来越多的数学家关注和研究H-J方程数学理论与数值模拟,并取得了一系列重要成果。一般来说,H-J的解析解是难以求出的,并且其弱解不唯一,解的导数会出现间断,这些特点给方程的数值模拟带来不少困难。本文第一部分研究H-J方程的基于水平集方法的自适应运动网格数值方法,研究此方法对尖点(解出现奇性的地方)的分辨能力等问题。 在惯性约束聚变(ICF)研究中,流体不稳定性是一个十分重要的问题,它的存在会直接影响ICF内爆压缩和点火燃烧。为了提高内爆效率,节省点火所要求的激光器驱动能量,ICF通常使用大收缩比和高形状因子的聚变靶丸。初始外表面或激光非均匀性引起的扰动,经瑞利—泰勒(RT)不稳定性的指数放大耦合到内表面,在减速阶段内表面扰动进一步发展,从而对聚变点火和燃烧带来不利因素。当烧蚀阶段RT增长严重时,热的气泡穿透烧蚀壳,进入并加热DT燃料,进而影响DT燃料的高压缩,影响聚变点火。在ICF流体不稳定性的研究中,数值模拟是重要的研究手段。本文第二部分研究ICF流体不稳定性的数值模拟。 本文共分三章。第一章为绪言,简要介绍H-J方程数学理论与数值方法的研究状况与ICF中流体不稳定性数值模拟的研究进展,以及本文研究的问题和结论。第二章讨论结构网格上用基于水平集方法的自适应运动网格方法解二维H-J方程。该方法的特点是:网格自动局部调整疏密跟踪间断的移动,只需增加少量计算量,即可提高计算精度和对间断的分辨能力。数值例子表明此方法计算H-J方程解的“极值”和“尖点”的有效性和精确性。第三章用水平集方法和三阶本质无振荡(ENO)方法对ICF中二维多介质激光烧蚀驱动内界面不稳定性进行数值模拟研究,改进了一些相关的数值模拟结果。


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