2-70  LARED-H程序的激光黑腔靶耦合数值模拟

古培俊  裴文兵  段庆生  勇  珩  吕  信

LARED-H程序是一个可用于激光黑腔靶耦合数值模拟研究的二维辐射流体力学程序。黑腔等离子体所形成的复杂流场使单纯的拉格朗日网格在计算中产生严重扭曲，影响计算精度，并导致计算中断。拉氏加网格重分是计算激光黑腔靶耦合常用的算法。对LARED-H程序的积分网格重分方法在网格重构和物理量重映方面作了较大改进，并利用改进后的LARED-H程序模拟了“神光”-Ⅱ和“神光”-Ⅲ条件下的激光空腔靶耦合物理全过程。

网格重分时，首先在L方向(径向)选择一条特征L网格线，在特征L线以上的区域(腔壁)，等离子体密度较高，运动主要以一维径向运动为主，对该区域进行网格重分时，我们保持原网格在径向的疏密程度，从而保持了流场的径向分布；在特征L线以下的区域(黑腔内部)，等离子体密度低，其运动的二维效应明显，网格被拉扯得很坏，需要对其进行重新划分。通过分析，选择激光打击区物质密度开始高于0.1 g/cm³的网格所在的径向位置为特征L线，这样选择的特征L线将密度径向变化剧烈、激光吸收和X光发射的主要区域包含在了特征L线以上，网格重分时不破坏其径向分布，减少了网格重分带来的流场变形，而特征L线本身也具有较好的性质(不出现拐点)，使特征L线以下区域的网格重构比较容易。

物理量重构时，利用重分前后各能级电子数守恒较好地处理了非平衡电子占据概率的重映问题；通过新网格所含各质团在网格重分前后使用一致的状态方程计算电子内能，较好地处理了理想气体和实际气体混合网格的电子温度重映问题。

利用改进后的LARED-H程序数值模拟了“神光”-Ⅱ条件下的激光黑腔靶耦合物理。模拟结果显示：在“神光”-Ⅱ标准黑腔情况下，三倍频、2 kJ、1 ns的平顶激光脉冲在不考虑激光等离子体非线性相互作用的情况下，激光吸收效率可达到90%以上；黑腔中心最高辐射温度可达180 eV；N带和M带发射分别占总的线发射能量的80%和10%。数值模拟结果与“神光”-Ⅱ实验结果基本相符。在此基础上，开展了“神光”-Ⅲ黑腔尺寸设计和相应的激光靶耦合数值模拟研究，计算表明，在长脉冲、大能量激光条件下，随着激光的不断注入，黑腔内部将充满密度较高的高温等离子体。这些热密等离子体使激光在传播途中被大量吸收，降低到达腔壁的激光能量，同时还会发射大量的高能激光。激光沿途被大量吸收，影响了激光发射的空间特性，使辐射驱动内爆的靶丸辐照均匀性难于控制，而产生的高能激光将预热内爆靶丸，降低内爆效率。数值模拟结果显示，要保证激光能量大部分在腔壁吸收，对于1 ns、60 kJ的“神光”-Ⅲ输出，黑腔半径需大于1 000 mm，而3 ns，120 kJ的神光-Ⅲ输出，则黑腔半径需大于1 600 mm。