一种超高速发射实验装置的改进及其数值模拟

 以流体比容方法和三阶PPM方法为基础，给出了适用于三级气炮超高速发射过程数值模拟的多流计算方法和计算代码MFPPM。利用Sandia实验室一系列的实验装置及其结果对计算代码进行了验证和确认，获得了较好的数值模拟结果（其中最大相对误差为1.07%），同时对冲击波物理与爆轰物理实验室设计的实验装置进行了数值模拟，计算结果与实验结果相差1.04%。为了更好地满足超高压下材料状态方程的测量，提出了一种带汇聚型的改进装置设计，并给出了相应的数值模拟结果。     

阻抗梯度飞片加载下的超高速发射二维数值模拟方法

阻抗梯度飞片准等熵加载和超高速发射的二维数值模拟,在计算方法上集中体现了多介质、多界面、大变形、高密度比等特点.采用多介质流体高精度PPM计算方法,以VOF为基础研制MFPPM2二维计算程序,数值模拟Sandia实验室的超高速发射实验模型,获得了与Sandia实验室数值计算一致的结果.     

二维气/液界面不稳定性数值模拟

 以多介质的体积分数方法和三阶PPM（Piecewise Parabolic Method）方法为基础,给出了适用于多介质流体动力学数值模拟的计算方法和程序MFPPM。利用MFPPM程序对在高压气体冲击作用下的气体/液体交界面的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性及其引起的流体混合现象进行了数值模拟研究。主要研究在不同的初始扰动情况下流体混合区的发展,并细致研究了流体混合区的宽度、气泡和尖钉高度随时间的增长情况及不同初始扰动对它们的影响;同时还研究了网格尺度不同时混合区、气泡以及尖钉的构型和高度的增长情况。通过对计算结果的分析得出,流体混合区、气泡以及尖钉的发展与初始扰动有密切的关系,特别是在后期影响更为显著;混合区宽度的变化过程和尖钉相似,而气泡高度的变化基本上呈线性增长趋势,且受初始扰动的影响比较小,但是其构型却有明显差别;网格的影响也主要体现在对混合区、气泡和尖钉的构型上。     

一维多介质可压缩流动数值方法

应用高精度界面追踪方法计算一般状态方程的多介质可压缩流动问题;应用LevelSet技术捕捉界面位置,在界面附近采用守恒数值离散,用双波近似求解一般状态方程Riemann问题,并采用统一高阶PPM格式进行内点和交界面点的计算.一维算例表明,该方法对于光滑区域以及多介质交界面具有二阶精度,能准确地模拟交界面的位置,交界面计算无数值振荡和数值耗散,并能处理一般状态方程的多介质可压缩流动问题.     

Numerical method of the Riemann problem for two-dimensional multi-fluid flows with general equation of state

Based on the classical Roe method, we develop an interface capture method according to the general equation of state, and extend the single-fluid Roe method to the two-dimensional (2D) multi-fluid flows, as well as construct the continuous Roe matrix for the whole flow field. The interface capture equations and fluid dynamic conservative equations are coupled together and solved by using any high-resolution schemes that usually suit for the single-fluid flows. Some numerical examples are given to illustrate the solution of 1D and 2D multi-fluid Riemann problems.     

The numerical study of shock-induced hydrodynamic instability and mixing

Based on multi-fluid volume fraction and piecewise parabolic method (PPM), a multi-viscosity-fluid hydrodynamic code MVPPM (Multi-Viscosity-Fluid Piecewise Parabolic Method) is developed and applied to the problems of shock-induced hydrodynamic interfacial instability and mixing. Simulations of gas/liquid interface instability show that the influences of initial perturbations on the fluid mixing zone (FMZ) growth are significant, especially at the late stages, while grids have only a slight effect on the FMZ width, when the interface is impulsively accelerated by a shock wave passing through it. A numerical study of the hydrodynamic interfacial instability and mixing of gaseous flows impacted by re-shocks is presented. It reveals that the numerical results are in good agreement with the experimental results and the mixing growth rate strongly depends on initial conditions. Ultimately, the jelly layer experiment relevant to the instability impacted by exploding is simulated. The shape of jelly interface, position of front face of jelly layer, crest and trough of perturbation versus time are given; their simulated results are in good agreement with experimental results.     

Van der Waals状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

基于流体体积分数的混合型多流体数值模型，将Piecewise Parabolic Method（PPM）方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，采用双波近似求解多流体van der Waals状态方程的Riemann问题．模拟高密度比且含有激波的可压缩多流体流动，典型的纯界面平移问题模拟结果表明，在接触间断的界面附近，压力和速度没有任何的振荡且界面数值耗散都被控制在2—3个网格之内；一维和二维算例表明，该数值方法可以有效地处理接触间断、激波和多维滑移线等物理问题，并能够比其它多流体数值方法更精细地模拟多流体交界面．     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

 采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1 mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。     

高压作用下不同形状气腔压缩过程的二维数值计算

 采用三阶精度的Parabolic Piecewise Method（PPM）方法和Volume of Fluid（VOF）方法相结合,运用Lagrange-Remapping算法,对高压作用下不同形状气腔压缩过程进行了二维高精度数值计算,给出了复杂形状的多流体流场之间的相互作用。此方法可以用来处理界面两边高压力比、高密度比流动以及强剪切滑移运动等问题。     

一种基于二级轻气炮平台的超高速弹丸发射装置设计

 基于强爆轰效应,提出一种新的超高速弹丸发射装置。在二级轻气炮平台上,设计内置炸药柱的三级加速腔,将二级轻气炮发射的克质量弹丸由6~7 km/s,再次加速至9~10 km/s的超高速。通过数值模拟优化设计药柱与飞片的形状,以及弹丸的树脂封装,从而抑制强爆轰产生的中心射流对弹丸的破坏,并且在短脉冲强冲击过程中,避免在直径达厘米级的铝或钛合金弹丸内的层裂破坏。数值模拟结果表明,经过优化设计的三级加速腔可以将气炮出膛速度约6.0 km/s的1.03 g铝合金弹丸加速至9.6 km/s,弹丸最终形状仍保持类球形,速度增益约1.6。     

应用多介质PPM方法计算斜激波与物质交界面的相互作用

利用多介质PPM方法研究斜激波与物质交界面的相互作用.采用与体积分数耦合的Euler方程组作为计算模型,用双波近似来求解一般刚性气体状态方程Riemann问题.通过体积分数的计算来获得界面的位置,在整个流场采用统一的高阶PPM格式进行计算.文中对斜激波与不同物质界面相互作用进行了数值模拟,并给出了交界面上由于斜压效应产生的涡列的演化过程,特别是强斜激波与不同物质界面的相互作用的情况.     

三级炮加载技术在超高压状态方程研究中的应用

根据阻抗梯度飞片设计原则和超高速数值模拟技术设计出一种新的叠层波阻抗梯度飞片,并利用三级炮加载技术将Ta飞片加速至9 km/s以上,测量了Ta在超高压下的状态方程。三级炮实验实现了冲击波速度与粒子速度的同时测量,Ta的Hugoniot数据与文献中发表的数据具有很好的线性关系,说明三级炮加载技术适合于材料超高压状态方程研究。     

运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证Level set方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Level set方程追踪多流体界面,采用GFM方法处理流体内界面.利用文[1]的计算结果校核本文程序.在此基础上,对运动激波和气泡串相互作用过程进行了初步数值模拟,得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图象,包括压力和密度等值线分布.计算结果表明:针对推广后的多界面Level set方程,该方法仍可高质量地捕捉多个流体界面.     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

任意不可压多介质流的粒子有限元方法模拟

基于粒子有限元方法(particle finite element method,PFEM),利用细分混合单元的界面识别思想,模拟种类任意多的不可压多介质流问题.对分步算法采用基于有限增量微积分理论的稳定措施,以适应流体特性差异;将混合单元细分为代表单一流体的小单元,进而得到流体间的边界;通过加密边界、控制粒子速度、自动检查穿透来防止粒子穿透外部边界.瑞利-泰勒不稳定性和水柱在空气中倒塌的模拟与已有结果的对比验证了PFEM及界面识别方法的可靠性和准确性.七种流体混合的模拟结果表明PFEM可有效处理任意多种类不相溶流体的混合流动问题.     

周期永磁磁场导引环形强流电子束研究

 利用磁场有限元法，计算了周期性布置的永磁铁内的磁场；利用流体模型分析了作用在束电子上的力并导出了改进Matheiu函数形式的径向力方程；利用2.5维PIC程序研究了束传输的物理过程。计算发现强流相对论电子束的稳定传输与束等离子体密度、束平衡位置、磁场的强度、磁场周期长度等有关。研究认为利用周期性永磁场导引数kA的环形电子束，使之稳定传输是可能的。     

The dynamic phase transition in the spin-1/2 Ising system within the path probability method

We study the dynamic phase transitions and present the dynamic phase diagrams of the spin-1/2 Ising system under the presence of a time-varying (sinusoidal) external magnetic field within the path probability method (PPM) of Kikuchi and we observe that the PPM gives exactly the same result as with the Glauber-type stochastic dynamics based on the mean-field theory (DMFT). We also investigate the influence of the rate constant on the dynamic phase diagrams in detail and five new and interesting dynamic phase diagrams are found. We notice that the derivation of the dynamic equations by using the PPM is more clear and easier than within the DMFT and the Glauber-type stochastic dynamics based on the effective-field theory (DEFT). The advantages and disadvantages of the PPM over the DMFT and DEFT are also discussed.     

Energy Conserving, Liouville, and Symplectic Integrators

In this paper, we construct an integrator that converves volume in phase space. We compare the results obtained using this method and a symplectic integrator. The results of our experiments do not reveal any superiority of the symplectic over strictly volume-preserving integrators. We also investigate the effect of numerically conserving energy in a numerical process by rescaling velocities to keep energy constant at every step. Our results for Henon-Heiles problem show that keeping energy constant in this way destroys ergodicity and forces the solution onto a periodic orbit.     

界面追踪方法中的激波限制器研究

针对多介质流体界面追踪(Front Tracking)方法,通过在界面处构造Riemann问题,研究激波限制器应用过程中的若干基本问题.针对气-气和气-水界面问题,通过比较平均守恒误差、L₁误差和激波强度随参数的变化情况,给出激波限制器参数可以在0.3附近选取.同时,通过理论分析和数值算例发现,当有激波接近界面时,选择激波波后状态作为界面处Riemann问题的初始状态,数值模拟结果较满意.     

平面金属等离激元美特材料对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用

本文对具有类EIR色散特性的平面金属等离激元美特材料(planar plasmonic metamaterials, PPM)对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用进行了研究. 我们首先运用传输矩阵方法分析了利用PPM结构的色散来增强光学Tamm态对应模式电磁局域密度的可能性. 其次, 我们将具有类EIR特性的PPM与一维光子晶体(photonic crystal, PC)合在一起设计了一种平面等离激元美特材料-光子晶体(PPM-PC)异质结构. 研究发现, 通过在电磁局域密度最高的PPM结构中(或附近)加入增益介质, 可观察到比通常光学Tamm态更强的激射增强效应及更明显的单色性响应. 这些特性使得这种PPM-PC结构有望被应用于低阈值激光器、荧光增强等方面.