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实验揭示了弹塑性材料的“不稳定阈值”

发布时间:2019-05-14 15:57:36 来源:

Lehigh大学机械工程和力学副教授Arindam Banerjee研究极端环境中材料的动力学。他和他的团队已经建立了多种装置,以有效地研究高加速度和离心力影响下的流体和其他材料的动力学。

一个感兴趣的领域是瑞利 - 泰勒不稳定性,当密度和压力梯度在相反的方向上时,它发生在不同密度的材料之间,从而产生不稳定的分层。

“在存在重力的情况下 - 或任何加速场 - 两种材料像'手指'一样彼此穿透,”Banerjee说。

根据Banerjee的说法,对不稳定性的理解主要局限于流体(液体或气体)。对加速固体中不稳定性的演变知之甚少。加速固体的短时间尺度和大的测量不确定性使得研究这种材料非常具有挑战性。

Banerjee和他的团队成功地描述了弹性塑料材料和轻质材料在加速下的界面。他们发现不稳定性的开始 - 或“不稳定性阈值” - 与应用的振幅(扰动)和波长(波峰之间的距离)的大小有关。他们的结果表明,对于二维和三维扰动(或运动),初始振幅和波长的减小产生了更稳定的界面,从而增加了不稳定性所需的加速度。

这些结果在今天发表在Physical Review E上的一篇论文中有所描述,称为“Rayleigh-Taylor-instability experiments with elastic-plastic materials”。除了Banerjee之外,共同作者还包括在Banerjee小组中的Rinosh Polavarapu(现任博士生)和Pamela Roach(前MS学生)。

“科学界一直在争论不稳定性增长是否与初始条件或更局部的灾难性过程有关,”Banerjee说。“我们的实验证实了前一个结论:界面增长强烈依赖于初始条件的选择,如振幅和波长。”

在实验中。Hellman的皇家蛋黄酱被倒入有机玻璃容器中。在蛋黄酱上形成不同的波浪状扰动,然后在旋转轮试验中加速样品。使用高速相机(500 fps)跟踪材料的生长。然后应用用Matlab编写的图像处理算法来计算与不稳定性相关的各种参数。对于幅度的影响,初始条件范围从w / 60到w / 10,而波长从w / 4到w变化以研究波长的影响(“w”表示容器宽度的大小) 。然后将各种波长和振幅组合的实验生长速率与现有的这种流动分析模型进行比较。

Banerjee说,这项工作使研究人员可以看到材料的弹塑性和不稳定性演变,同时为这种流动模型的开发,验证和验证提供了有用的数据库。

他补充说,对加速下弹塑性材料“不稳定阈值”的新认识对于帮助解决地球物理学,天体物理学,爆炸焊接等工业过程以及惯性相关的高能密度物理问题等挑战具有重要意义。约束融合。

了解惯性约束的流体动力学

Banerjee致力于实现称为惯性约束的核聚变最有前途的方法之一。在美国,这项研究的两个主要实验室是位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施 - 美国最大的惯性约束聚变实验 - 以及新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室。班纳吉与两者合作。他和他的团队正试图了解聚变反应的基本流体动力学以及物理学。

在惯性约束实验中,气体(氢同位素,如磁融合)在豌豆大小的金属颗粒内被冷冻。将颗粒置于腔室中,然后用高功率激光打击,压缩气体并将其加热至几百万开尔文 - 约4亿华氏度 - 创造融合条件。

在纳秒内发生的大量热量传递使金属熔化。在大规模压缩下,内部的气体会爆裂,导致不受欢迎的结果:胶囊在融合之前爆炸。Banerjee解释说,了解这种动态的一种方法是想象一个气球被挤压。

“当球囊压缩时,内部的空气会推动限制它的材料,试图向外移动,”Banerjee说。“在某些时候,气球会在压力下爆裂。同样的事情发生在融合舱内。气体和熔融金属的混合会引发爆炸。”

为了防止混合,Banerjee补充说,你必须首先了解熔融金属和加热气体是如何混合的。

为此,他的小组进行模拟惯性约束条件的实验,通过去除温度梯度和核反应来隔离物理学。

Banerjee和他的团队花了四年多时间专门为这些实验构建了一个设备。这个实验位于Lehigh Packard实验室的一楼,是世界上唯一的实验,因为它可以在与惯性约束聚变相关的条件下研究双流体混合。最先进的设备也可用于诊断流量。这些项目由能源部,洛斯阿拉莫斯国家实验室和国家科学基金会资助。

研究人员喜欢Banerjee模仿熔融金属的方法之一是使用蛋黄酱。他说,高温下金属的材料特性和动力学与低温蛋黄酱非常相似。

该团队的设备重新创造了气体和熔融金属混合的难以置信的速度。他们从他们运行的实验中收集数据,然后将其输入洛斯阿拉莫斯国家实验室正在开发的模型中。

“他们采取了一个非常复杂的问题,并将其分为六个或七个较小的问题,”Banerjee解释道。“有些材料科学家致力于解决这个问题的某些方面;像我这样的研究人员专注于流体力学 - 所有研究人员都将投入到将来合并的不同模型中。”

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