Kelvin Hidrodinâmico

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2686 (2023) Citar este artigo

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A instabilidade de Kelvin-Helmholtz na superfície metálica é relevante para impactos oblíquos intensos em muitos processos físicos, como soldagem explosiva, fusão por confinamento inercial e eventos de impacto planetário. A evolução da instabilidade resulta na formação de morfologia ondulada levando à ligação do material ou mesmo à mistura. No entanto, principalmente devido à falta de métodos para descrever o comportamento dinâmico, o mecanismo de instabilidade controlado pelas propriedades elastoplásticas do metal permanece indefinido. Aqui, introduzimos uma teoria para revelar as características de evolução provocadas pela velocidade tangencial. Nossas simulações mostram que as superfícies metálicas instáveis ​​exibem crescimento de amplitude e movimento tangencial superando a depressão do limite de escoamento para gerar morfologia ondulada. Para diversas velocidades de carregamento, superfícies corrugadas e propriedades de materiais, um limite de instabilidade distingue todas as evoluções instáveis. Nosso método analítico com variáveis ​​independentes de escala reproduzindo achados numéricos revela abundantes características de instabilidade em materiais resistentes. Para velocidades de carregamento projetadas e materiais em experimentos de impacto oblíquo em laboratório, a propriedade das superfícies onduladas torna-se um fator importante para determinar a evolução da instabilidade.

A instabilidade de Kelvin-Helmholtz (KHI)1,2 devido ao cisalhamento na superfície metálica permanece pouco compreendida, o que especialmente merece ser interpretado como metal sofrendo intenso impacto oblíquo em soldagem por impacto de alta velocidade (HVIW)3,4,5, fusão por confinamento inercial (ICF )6,7, eventos de impacto planetário8,9,10, etc. As estruturas onduladas provocadas pelo salto de velocidade tangencial na instância de colisão de superfície com ângulos indicam ligação de material ou mesmo mistura potencial5,8. Embora o KHI entre fluidos seja estudado extensivamente11,12, as características da evolução do KHI associadas aos efeitos de depressão das propriedades elástico-plásticas (EP) do metal13 merecem uma pesquisa minuciosa.

A detecção de KHI na superfície metálica é um sério desafio devido às dificuldades práticas de sustentação do fluxo de cisalhamento de alta velocidade em instalações experimentais14. As características das morfologias onduladas são geralmente discutidas com a ajuda de experimentos de impacto oblíquo de alta velocidade cujos resultados só podem ser visualizados ao final de experimentos que não revelam os processos de evolução3,4,15,16, sem mencionar outra questão de recuperar amostras sem fragmentações severas sob carga de alta velocidade17. Embora os processos de impacto oblíquos possam ser exibidos por simulações de computador, além de adquirir distribuições de malhas adequadamente finas, a precisão dos cálculos é amplamente determinada pela aritmética diferente da interface do material de captura15,18,19,20. Para KHI em metais, é surpreendente que simulações relevantes não tenham sido mostradas por enquanto, mas apenas análises teóricas com o método tradicional de modo normal, que apenas apresenta a taxa de crescimento e envolve a impossibilidade de tratamentos analíticos devido a equações governantes não lineares e relações constitutivas não lineares do metal5,18 . Como resultado, carecemos especialmente das descrições das características de evolução da superfície metálica perturbada sob a operação de descontinuidade da velocidade tangencial.

Com o objetivo de investigar o comportamento da superfície do KHI no sólido, propusemos uma análise teórica com um método de fluxo potencial para descrever a taxa de crescimento e a evolução da amplitude por fórmulas analíticas21. As propriedades de resistência à deformação por cisalhamento do material sólido influenciam a evolução da instabilidade da superfície conforme o escoamento tangencial. O crescimento da amplitude é impedido pelas propriedades EP do sólido para se tornar um comportamento de oscilação ao redor. Embora o efeito de depressão das propriedades EP tenha sido detectado na evolução da amplitude, é interessante que a taxa de crescimento seja a mesma que KHI para diferentes fluidos ideais, ou seja, \(k\sqrt{{\rho }_{1}{\rho }_{2}{u}_{0}^{2}}/({\rho }_{1}{+\rho }_{2})\), que é sempre positivo para indicar crescimento contínuo da amplitude . O método tradicional para estimar se a superfície é estável ou instável pela taxa de crescimento18,22 parece inválido para sólidos. Além disso, a relação entre a transição EP e a evolução da instabilidade também não pode ser exibida pela taxa de crescimento e amplitude. No presente trabalho, tentamos iluminar um método para estimar se a instabilidade se desenvolve denominada limite de instabilidade e explicar o efeito da transição EP na instabilidade pela divisão EP.