Kelvin idrodinamico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2686 (2023) Citare questo articolo

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L'instabilità di Kelvin-Helmholtz sulla superficie metallica è rilevante per l'intenso impatto obliquo in molti processi fisici come la saldatura esplosiva, la fusione a confinamento inerziale e gli eventi di impatto planetario. L'evoluzione dell'instabilità porta alla formazione di una morfologia ondulata che porta al legame o addirittura alla miscelazione dei materiali. Tuttavia, soprattutto a causa della mancanza di un metodo per descrivere il comportamento dinamico, il meccanismo di instabilità controllato dalle proprietà elastoplastiche del metallo rimane sfuggente. Qui, introduciamo una teoria per rivelare le caratteristiche di evoluzione suscitate dalla velocità tangenziale. Le nostre simulazioni rilevano che le superfici metalliche instabili mostrano una crescita di ampiezza e un movimento tangenziale superando la depressione del carico di snervamento per generare una morfologia ondulata. Per diverse velocità di carico, superfici ondulate e proprietà dei materiali, un confine di instabilità distingue tutte le evoluzioni instabili. Il nostro metodo analitico con variabili indipendenti dalla scala che riproducono i risultati numerici rivela numerose caratteristiche di instabilità nei materiali resistenti. Per le velocità di carico progettate e il materiale negli esperimenti di impatto obliquo in laboratorio, la proprietà delle superfici ondulate diventa un fattore importante per determinare l'evoluzione dell'instabilità.

L'instabilità di Kelvin-Helmholtz (KHI)1,2 dovuta al taglio sulla superficie metallica rimane poco compresa, e merita in particolare di essere interpretata come un metallo che subisce un intenso impatto obliquo nella saldatura ad impatto ad alta velocità (HVIW)3,4,5, nella fusione a confinamento inerziale (ICF) )6,7, eventi di impatto planetario8,9,10, ecc. Le strutture ondulate provocate dal salto di velocità tangenziale nel caso di collisione superficiale con gli angoli indicano un legame di materiale o addirittura una potenziale miscelazione5,8. Sebbene il KHI tra i fluidi sia ampiamente studiato11,12, le caratteristiche dell'evoluzione del KHI associate agli effetti di depressione delle proprietà elastico-plastiche (EP) del metallo13 meritano di essere approfondite.

Il rilevamento di KHI sulla superficie metallica rappresenta una sfida seria a causa delle difficoltà pratiche di sostenere il flusso di taglio ad alta velocità nelle strutture sperimentali14. Le caratteristiche delle morfologie ondulate vengono solitamente discusse con l'aiuto di esperimenti di impatto obliquo ad alta velocità i cui risultati possono essere visualizzati solo al termine di esperimenti che non rivelano i processi di evoluzione3,4,15,16, senza menzionare un altro problema di recupero del campione senza gravi frammentazioni sotto carico ad alta velocità17. Sebbene i processi di impatto obliquo possano essere mostrati mediante simulazioni al computer, oltre ad acquisire distribuzioni di maglie adeguatamente fini, l'accuratezza dei calcoli è in gran parte determinata dalla diversa aritmetica dell'interfaccia del materiale di cattura15,18,19,20. Per KHI sui metalli, è sorprendente che per ora non siano state mostrate simulazioni rilevanti ma solo analisi teoriche con il metodo tradizionale in modalità normale che presenta semplicemente il tasso di crescita e comporta l'impossibilità di trattamenti analitici a causa di equazioni governative non lineari e relazioni costitutive non lineari del metallo5,18 . Di conseguenza, mancano soprattutto le descrizioni delle caratteristiche di evoluzione della superficie metallica perturbata sotto l'azione della discontinuità della velocità tangenziale.

Allo scopo di studiare il comportamento superficiale del KHI sul solido, abbiamo proposto un'analisi teorica con un metodo del flusso potenziale per descrivere il tasso di crescita e l'evoluzione dell'ampiezza mediante formule analitiche21. Le proprietà di resistenza alla deformazione a taglio del materiale solido influenzano l'evoluzione dell'instabilità della superficie bagnata dal flusso tangenziale. La crescita dell'ampiezza è impedita dalle proprietà EP del solido che diventano comportamenti di oscillazione. Sebbene l'effetto di depressione delle proprietà EP sia stato rilevato nell'evoluzione dell'ampiezza, è interessante notare che il tasso di crescita è lo stesso di KHI per diversi fluidi ideali, ovvero \(k\sqrt{{\rho }_{1}{\rho }_{2}{u}_{0}^{2}}/({\rho }_{1}{+\rho }_{2})\), che è sempre positivo per indicare una crescita continua di ampiezza . Il metodo tradizionale per stimare se la superficie è stabile o instabile in base al tasso di crescita18,22 sembra non valido per i solidi. Inoltre, la relazione tra transizione EP ed evoluzione dell’instabilità non può essere evidenziata anche dal tasso di crescita e dall’ampiezza. Nel presente lavoro, tentiamo di illuminare un metodo per stimare se l'instabilità sviluppa un confine di instabilità denominato e per spiegare l'effetto della transizione EP sull'instabilità per divisione EP.