石启陈 赵志杰 张焕好† 陈志华 郑纯

1) (南京理工大学, 瞬态物理国家重点实验室, 南京 210094)

2) (南京理工大学机械工程学院, 南京 210094)

1 引 言

速度剪切现象普遍存在于自然界各类流动中,在一定条件下, 速度剪切容易发生开尔文-赫姆霍兹(Kelvin-Helmholtz, KH)不稳定性, 卷起形成系列涡结构, 并逐渐发展成为大规模的波状运动, 最终转捩成湍流[1].这类经典的不稳定性常出现于行星大气[2]、太阳风暴[3-5]、太阳风磁顶层[6-8]、磁约束核聚变、飞行器尾流、磁流体发电、等离子体污水处理等过程中.在一些工程应用中, 可以利用流体不稳定性来有效促进流体间的混合, 而在另外一些场合, 则必须抑制流体的不稳定性.例如, 通过稳定排气射流, 可集中发动机推力, 从而增加飞机的可操控性; 在磁约束核聚变中, 要求整个聚变反应过程受控, 但因粒子随机运动过程中存在KH不稳定性, 会影响核聚变的稳定性和效率; 在磁流体发电装置中, 带电粒子因KH不稳定性的影响而偏离规则运动, 影响发电效率等.基于此, 对磁流体控制混合层不稳定性的方法受到科研人员的广泛关注.

自KH不稳定性提出以来, 人们利用实验、理论分析以及数值模拟等方法, 对经典流体中的KH不稳定性现象进行了大量的研究[9].随着各种计算流体力学算法的提出以及计算机硬件的提升,KH不稳定性的数值模拟研究逐渐成为主流.然而,尽管等离子体流动的相关研究已经开始兴起, 但因等离子体流动易受磁场影响, 利用……