Гидродинамический Кельвин

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2686 (2023) Цитировать эту статью

463 доступа

Подробности о метриках

Нестабильность Кельвина-Гельмгольца на металлической поверхности связана с интенсивным косым воздействием во многих физических процессах, таких как сварка взрывом, инерционный термоядерный синтез и планетарные удары. Развитие нестабильности приводит к образованию волнистой морфологии, приводящей к склеиванию или даже смешиванию материалов. Однако, во многом из-за отсутствия метода описания динамического поведения, механизм неустойчивости, контролируемый упругопластическими свойствами металла, остается неясным. Здесь мы представляем теорию, раскрывающую характеристики эволюции, вызванные тангенциальной скоростью. Наше моделирование показывает, что нестабильные металлические поверхности демонстрируют рост амплитуды и тангенциальное движение, преодолевая снижение предела текучести и создавая волнистую морфологию. При различных скоростях нагружения, гофрированных поверхностях и свойствах материала граница неустойчивости отличает все нестабильные эволюции. Наш аналитический метод с независимыми от масштаба переменными, воспроизводящими численные результаты, выявляет множество характеристик нестабильности прочных материалов. Для расчетных скоростей нагружения и материала в эксперименте по косому удару в лаборатории свойство гофрированных поверхностей становится важным фактором, определяющим развитие нестабильности.

Нестабильность Кельвина-Гельмгольца (KHI)1,2 из-за сдвига на металлической поверхности остается малоизученной, что особенно заслуживает интерпретации как интенсивное косое воздействие металла при высокоскоростной ударной сварке (HVIW)3,4,5, инерционной сварке (ICF). )6,7, планетарные удары8,9,10 и т. д. Волнистые структуры, возникающие в результате тангенциального скачка скорости в момент столкновения поверхности с углами, указывают на соединение материалов или даже на потенциальное смешивание5,8. Хотя KHI между флюидами широко изучены11,12, характеристики эволюции KHI, связанные с эффектами депрессии упругопластических (ЭП) свойств металла13, заслуживают тщательного изучения.

Обнаружение KHI на металлической поверхности является серьезной проблемой из-за практических трудностей поддержания высокоскоростного сдвигового потока в экспериментальных установках14. Характеристики волнистой морфологии обычно обсуждаются с помощью эксперимента по высокоскоростному косому удару, результаты которого могут быть отображены только в конце экспериментов, которые не выявляют процессы эволюции3,4,15,16, не говоря уже о другом вопросе восстановления образца без серьезные фрагментации при высокоскоростной нагрузке17. Хотя процессы косого удара можно продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования, помимо получения достаточно мелкого распределения сеток, точность расчетов во многом определяется различной арифметикой захвата границы раздела материалов15,18,19,20. Что касается KHI для металлов, удивительно, что на данный момент не было показано соответствующее моделирование, а только теоретический анализ с использованием традиционного метода нормального режима, который просто отображает скорость роста и предполагает невозможность аналитического лечения из-за нелинейных основных уравнений и нелинейных определяющих соотношений металла5,18 . В результате нам особенно не хватает описаний характеристик эволюции металлической возмущенной поверхности при работе тангенциального скачка скорости.

С целью исследования поверхностного поведения KHI на твердом теле мы предложили теоретический анализ с использованием метода потенциального потока для описания скорости роста и эволюции амплитуды с помощью аналитических формул21. Свойства сопротивления сдвиговой деформации твердого материала влияют на развитие неустойчивости поверхности при промывке тангенциальным потоком. Росту амплитуды препятствуют ЭП-свойства твердого тела, превращающие его в колебательное поведение. Хотя при эволюции амплитуды был обнаружен эффект депрессии свойств ЭП, интересно, что скорость роста такая же, как и KHI для различных идеальных жидкостей, т.е. \(k\sqrt{{\rho }_{1}{\rho }_{2}{u}_{0}^{2}}/({\rho }_{1}{+\rho }_{2})\), что всегда положительно, что указывает на непрерывный рост амплитуды. . Традиционный метод оценки стабильности или нестабильности поверхности по скорости роста18,22 кажется недействительным для твердого тела. Кроме того, связь между переходом ЭП и развитием неустойчивости также не может быть выражена скоростью и амплитудой роста. В настоящей работе мы пытаемся осветить метод оценки того, развивается ли неустойчивость, названная границей неустойчивости, и объяснить влияние перехода ЭП на неустойчивость путем разделения ЭП.