유체역학적 켈빈

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2686(2023) 이 기사 인용

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금속 표면의 켈빈-헬름홀츠 불안정성은 폭발 용접, 관성 구속 융합 및 행성 충돌 사건과 같은 많은 물리적 공정에서 강렬한 경사 충격과 관련이 있습니다. 불안정성이 진화하면 물결 모양의 형태가 형성되어 재료 결합이나 심지어 혼합이 발생합니다. 그러나 동적 거동을 설명하는 방법이 부족하기 때문에 금속의 탄소성 특성에 의해 제어되는 불안정성 메커니즘은 여전히 ​​파악하기 어렵습니다. 여기에서는 접선 속도에 의해 발생하는 진화 특성을 밝히는 이론을 소개합니다. 우리의 시뮬레이션은 불안정한 금속 표면이 항복 강도의 저하를 극복하여 물결 모양의 형태를 생성함으로써 진폭 증가와 접선 운동을 나타냄을 발견했습니다. 다양한 로딩 속도, 주름진 표면 및 재료 특성의 경우 불안정 경계는 모든 불안정한 진화를 구별합니다. 수치적 결과를 재현하는 규모 독립적 변수를 사용한 분석 방법은 강도 재료의 불안정성의 풍부한 특성을 보여줍니다. 실험실 경사 충격 실험에서 설계된 하중 속도와 재료에 대해 주름진 표면의 특성은 불안정성 진행을 결정하는 중요한 요소가 됩니다.

금속 표면의 전단으로 인한 KHI(Kelvin-Helmholtz 불안정성)1,2는 거의 이해되지 않았으며, 특히 HVIW(고속 충격 용접)3,4,5, ICF(관성 구속 융합)에서 금속이 강렬한 경사 충격을 받는 것으로 해석할 가치가 있습니다. )6,7, 행성 충돌 이벤트8,9,10 등 각도에 따른 표면 충돌 시 접선 속도 점프로 인해 발생하는 물결 모양 구조는 재료 결합 또는 잠재적인 혼합을 나타냅니다5,8. 유체 간의 KHI가 광범위하게 연구되었지만11,12, 금속의 탄성-가소성(EP) 특성의 저하 효과와 관련된 KHI 진화의 특성13은 철저하게 파고들 수 있습니다.

금속 표면에서 KHI를 검출하는 것은 실험 시설에서 고속 전단 흐름을 유지하는 데 실질적인 어려움이 있기 때문에 심각한 과제입니다. 물결 모양 형태의 특성은 일반적으로 고속 경사 충격 실험의 도움으로 논의되며, 그 결과는 진화 과정3,4,15,16을 밝히지 않는 실험이 끝날 때만 이미지화될 수 있으며, 시료를 복구하지 않고 샘플을 복구하는 또 다른 문제는 언급하지 않습니다. 고속 로딩 시 심각한 조각화17. 경사 충격 과정은 컴퓨터 시뮬레이션으로 표시될 수 있지만 적절하게 미세한 메쉬 분포를 얻는 것 외에도 계산의 정확성은 재료 인터페이스 캡처의 다양한 산술에 의해 크게 결정됩니다. 금속에 대한 KHI의 경우 관련 시뮬레이션이 현재 표시되지 않고 단지 성장률만을 제시하고 금속의 비선형 지배 방정식 및 비선형 구성 관계로 인해 분석 처리가 불가능함을 수반하는 전통적인 일반 모드 방법을 사용한 이론적 분석만 표시된다는 점은 놀랍습니다5,18 . 결과적으로 우리는 접선 속도 불연속성의 작동 하에서 금속 교란 표면의 진화 특성에 대한 설명이 특히 부족합니다.

고체에 대한 KHI의 표면 거동을 조사하기 위해 분석 공식21을 통해 성장률과 진폭 변화를 설명하기 위한 전위 흐름 방법을 사용한 이론적 분석을 제안했습니다. 고체 재료의 전단 변형에 저항하는 특성은 접선 흐름에 의해 플러시되는 표면의 불안정성 전개에 영향을 미칩니다. 고체의 EP 특성에 의해 진폭 증가가 방지되어 주위를 진동하는 동작이 됩니다. 진폭 진화에서 EP 특성의 저하 효과가 감지되었지만, 다양한 이상 유체에 대한 성장률이 KHI와 동일하다는 것이 흥미롭습니다. 즉, \(k\sqrt{{\rho }_{1}{\rho }_{2}{u}_{0}^{2}}/({\rho }_{1}{+\rho }_{2})\), 이는 진폭의 지속적인 증가를 나타내기 위해 항상 양수입니다. . 성장률18,22에 따라 표면이 안정적인지 불안정한지 추정하는 전통적인 방법은 고체에는 유효하지 않은 것 같습니다. 게다가, EP 전이와 불안정성 진화 사이의 관계는 성장률과 진폭으로도 나타낼 수 없습니다. 현재 연구에서 우리는 불안정성이 명명된 불안정성 경계로 발전하는지 여부를 추정하고 EP 분할을 통해 EP 전환이 불안정성에 미치는 영향을 설명하는 방법을 밝히려고 합니다.