CFD理論|流動不穩定性

導讀:介紹兩種流動不穩定現象:開爾文-亥姆霍茲不穩定、瑞利-泰勒不穩定。

流動穩定性


   
流動穩定性(hydrodynamic stability) 流動受初始擾動后恢復原先運動狀態的能力。外界的擾動如果會自動衰減,原先的流動便是穩定的;外界的擾動如果會發展,并轉變為新的流動狀態,這就是 流動失穩現象
流動穩定性理論研究流體運動穩定的條件和失穩后流動的發展變化,包括轉捩為湍流的過程。
層流到湍流的轉捩,一般始于失穩。但隨著某流動參數(如雷諾數)的逐漸增大,流動失穩后也有可能過渡為另一種更為復雜的層流,最后再失去層流的規律性,轉捩為湍流。
本文介紹的兩種不穩定現象是屬于有一個明確界面的穩定性問題,

開爾文-亥姆霍茲不穩定


   
開爾文-亥姆霍茲不穩定性(英語:Kelvin–Helmholtz instability,名稱來自開爾文男爵和赫爾曼·馮·亥姆霍茲)是在有剪力速度的連續流體內部或有速度差的兩個不同流體的界面之間發生的不穩定現象。
KH不穩定性廣泛存在于高能量密度物理、地球和天體物理、慣性約束聚變、燃燒、玻色-愛因斯坦凝聚、石墨烯等領域。充分發展的KH不穩定性導致了星際颶風、星系旋臂、太陽風與地球磁層相互作用中大規模旋渦結構的形成;另一方面,被顯著抑制的KH不穩定性有助于高準直、高長寬比、高穩定性超聲速天體射流的形成。
比如說風吹過水面時,在水面上表面的波的不穩定。而這種不穩定狀況更常見于云、海洋、土星的云帶、木星的大紅斑、太陽的日冕中
CFD理論|流動不穩定性的圖1

瑞利-泰勒不穩定


   
當重流體處于輕流體上方時,如果界面無限平整且不存在擾動,則該流體系統處于不穩定平衡狀態。由于在自然界中擾動的不可避免性,即便是原本無限平整的界面在重力作用下也會發生失穩。這種由于輕流體推重流體(逆著加速度方向)或加速度由重流體指向輕流體所導致的流體界面不穩定性現象,一般稱為 瑞利泰勒不穩定性 (Rayleigh–Taylor Instability,RTI)現象。
CFD理論|流動不穩定性的圖2

這種不穩定性扮演了重要角色:在聚變內爆過程的減速階段,RTI會影響靶丸的均勻壓縮,嚴重情況下會導致靶丸殼層的破裂;同時在點火階段中,RTI還會引起殼層材料與熱區的摻混,降低中心熱區的溫度,導致點火失敗。但在與一些內燃機燃燒推進相關的過程中,RTI會加劇液體燃料與氧氣的混合,對促進燃燒過程是有利的。
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