De nouvelles recherches menées par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) permettent de mieux comprendre la production d’éjecta, qui fait l’objet d’un large intérêt depuis plus de 60 ans dans la communauté scientifique.
Les éjectas sont des particules de matière expulsées ou éjectées d’une zone. Les phénomènes sont observés dans de nombreuses applications multidisciplinaires, notamment les éruptions volcaniques, les impacts d’astéroïdes sur les planètes, le blindage de surface sur les engins spatiaux et les satellites, les applications d’ingénierie pour la pulvérisation de poudre et l’ablation de matériaux induite par laser.
Garry Maskaly, auteur principal d’un article présenté dans le Journal de physique appliquée, a déclaré que l’équipe de recherche a identifié un mécanisme de production d’éjecta jusque-là inconnu appelé Shallow Bubble Collapse (SBC) qui n’est pas basé sur les instabilités de Richtmyer-Meshkov (RMI), lorsque les ondes de choc interagissent avec et séparent deux fluides de densité différente. Les éjectas RMI étaient auparavant considérés comme la principale source d’éjectas métalliques provoqués par les chocs et ont fait l’objet de décennies de recherche.
Le travail était un processus interactif entre les efforts informatiques et expérimentaux qui n’aurait pas été possible sans une collaboration dynamique entre le LLNL, le Laboratoire national de Los Alamos (LANL) et le Laboratoire des technologies spéciales du site de sécurité nationale du Nevada (NNSS-STL) à Santa Barbara, en Californie. .
L’équipe a utilisé une modélisation haute résolution de diverses conditions de choc pour identifier les régimes qui se comportaient de manière informatique différente de la théorie RMI. L’équipe a conçu et mis en place des expériences pour évaluer ces conditions. Les codes WSC et les ressources LLNL HPC ont été essentiels pour ce travail.
Le travail consolide la collaboration étroite entre LLNL, LANL et NNSS-STL, faisant avancer un nouveau domaine de la physique des éjectas. La production d’éjectas par choc à partir de surfaces métalliques se produit souvent dans des expériences à haute explosion avec des surfaces sans métal.
« Comprendre ce phénomène est important pour comprendre avec précision le comportement dynamique des métaux dans ces scénarios », a déclaré Maskaly. « Les éjectas métalliques peuvent interférer avec les diagnostics et modifier l’évolution globale du système. Dans les expériences d’éjectas à chocs multiples, des résultats anormaux ont été observés qui n’étaient pas conformes à la théorie RMI standard. SBC présente une nouvelle phénoménologie de la production d’éjectas à chocs multiples. »
Les principaux points saillants de cette recherche résument comment le mécanisme SBC peut produire beaucoup plus d’éjectas (10 fois) avec une température beaucoup plus élevée (deux fois) que les éjectas RMI produits sous des forces de choc similaires.
« Les résultats de cette recherche conduisent à de nouvelles connaissances sur les phénomènes physiques dans le domaine de la physique et de la production des éjectas, du transport et de divers mécanismes d’interactions et de collisions des jets SBC », a déclaré Maskaly.
Il a expliqué que lorsqu’un métal est fondu lors d’un choc et qu’il y a une libération formant des bulles de cavitation près de la surface, un second choc peut recompacter ces bulles de cavitation, extrayant une énergie substantielle du second choc.
« Cela fait que le matériau devient très chaud et explose violemment, pulvérisant de grandes quantités de matériau devant la surface à des vitesses élevées », a déclaré Maskaly.
Fady Najjar, co-auteur de l’article, a expliqué plus en détail : « Considérez un échantillon de métal impacté sur sa face arrière par un projectile se déplaçant rapidement. La face avant est définie comme la surface libre (interface de l’échantillon avec l’air).
« Une fois l’impact survenu, un choc se propage à travers l’échantillon et atteint la surface libre », a déclaré Najjar. « C’est ce qu’on appelle une onde de Taylor. Selon la force du choc et l’état de l’échantillon (fondu ou solide), la matière est éjectée de cette surface libre qui génère des particules, et nous les appelons éjecta. »
Maskaly a comparé le travail à un tour de fête commun où le fond d’une bouteille peut être cassé en utilisant simplement vos mains pour frapper la bouche ouverte de la bouteille.
« Dans ce travail, la formation et l’effondrement ultérieur des bulles de cavitation sont suffisamment violents pour briser le fond d’une bouteille en verre avec une force modérée », a-t-il déclaré. « Dans l’effondrement peu profond des bulles, la formation et l’effondrement des bulles de cavitation provoqués par le choc entraînent un événement violent qui se traduit par des quantités substantielles de métal pulvérisées vers l’avant depuis la surface. »
Maskaly a déclaré que SBC explique un régime de multiples comportements d’éjecta provoqués par des chocs qui étaient auparavant inexpliqués ou inexplorés. Avec SBC, l’équipe démontre qu’une quantité de mouvement suffisante est éjectée pour que l’hydrodynamique globale puisse être affectée.
« Notre travail sur SBC a également inspiré des améliorations diagnostiques pour les mesures d’impulsion qui ont un impact sur les futures expériences fondamentales et les expériences sous-critiques », a déclaré Maskaly.
En plus de Maskaly et Najjar, les co-auteurs incluent Gerald Stevens, Brandon La Lone, Dale Turley et Matt Staska de NNSS STL ; et Tom Hartsfield de LANL.
Plus d’information:
GR Maskaly et al, Production d’éjectas d’instabilité non Richtmyer – Meshkov basée sur l’effondrement de bulles peu profondes, Journal de physique appliquée (2023). DOI : 10.1063/5.0132256