超高速发射实验模型的数值计算

 采用三阶精度PPM（Parabolic Piecewise Method）方法和VOF（Volume of Fluid）相结合,运用Lagrange-Remapping算法,编制了多介质流体高精度欧拉计算程序MFPPM,可以对多介质复杂流场进行数值计算。对程序计算精度进行了测试,并应用于超高速发射实验模型数值计算,对Sandia实验室不带会聚作用的实验模型进行了一维计算以及带会聚作用的实验模型进行二维计算并与其实验结果和CTH计算结果进行对比,其中一维计算最大相对误差1%,二维计算相对误差4.7%,在此基础上对超高速发射设计模型进行了初步计算。     

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。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

碎片云问题的三维欧拉数值模拟

针对材料超高速碰撞产生碎片云问题进行了多介质弹塑性流体力学欧拉方法数值模拟,介绍了所采用的数学模型、材料模型及相应的计算方法,模拟了铝球超高速碰撞铝板和斜铜柱高速撞击铝板形成碎片云的实验现象。进行了不同碰撞速度下模拟的碎片云形状和实验结果比较,利用经验公式对数值模拟的板靶开孔尺寸进行了分析。数值结果与实验结果、经验公式结果比较,说明多介质弹塑性流体力学欧拉方法能够较好地模拟超高速碰撞产生的碎片云问题,验证了数值方法的有效性。     

可压缩多介质流体数值模拟中的Level-Set间断跟踪方法

针对可压缩多介质流体的数值模拟,发展了一种Level-Set间断追踪技术,用LS(Level-Set)函数追踪激波和捕捉界面,用Riemann问题解构造带状区域内的虚拟流体状态,对物理量的外推方法、间断附近虚拟流体的构造、间断推进速度的计算等问题进行了研究.最后对可压缩多介质流体一维和二维守恒律方程组进行数值模拟,数值计算采用通量重构的高精度WENO格式,计算结果令人满意.     

超高速发射装置的数值模拟

 应用二维Lagrangian有限元程序EPFT101对超高速发射装置作数值模拟设计。对速度超过10 km/s的发射飞片作了系统研究。为防止飞片的破碎和熔化,采用密度梯度结构装置冲击固定飞片,为使固定飞片达到最大的可能发射速度,采用了筒的延伸技术,并通过数值模拟,优化了超高速发射条件。计算结果表明,当密度梯度结构装置的初始冲击速度为5.8 km/s（或6.0 km/s）时,1.063 g钛合金飞片的速度可达到10 km/s以上。飞片的纵横比为0.3。     

二维各向同性均匀随机介质中平面波的传播及其局域性

讨论了二维各向同性均匀随机介质中平面波的传播及其局域性.假设二维随机介质具有各向同性窄带高斯谱,运用随机泛函理论给出了二维介质中随机平面驻波的解析近似解及其幅度和相位的定量统计特性.计算结果证实了波在随机介质中传播时的局域性.将二维介质中的平面波和柱面波的传播特性作了对比.数值结果模拟了二维随机介质场及平面驻波,并验证了本文结果的正确性. 关键词： 随机介质 随机泛函 平面波 局域性     

基于等效介质二维光子晶体平面波展开法的理论研究

应用等效介质理论,提出了一种计算二维光子晶体的新平面波展开法,数值模拟了圆介质柱在空气中正方排列结构的能带,模拟结果与常规的平面波计算结果符合的很好.     

二维多介质可压缩流的RKDG有限元方法

应用RKDG(Runge-Kutta Discontinuous Galerkin)有限元方法、Level Set方法和Ghost Fluid方法数值模拟二维多介质可压缩流,其中Euler方程组、Level Set方程和重新初始化方程的空间离散采用DG(Discontinuous Galerkin)有限元方法,时间离散采用Runge-Kutta方法.对二维的气-气和气-液两相流进行了数值计算,得到了分辨率较高的计算结果.     

磁驱动高速飞片模拟中滑移界面处理

在二维单介质磁驱动数值模拟程序(MDSC2)的基础上,采用局部结构整体非结构的网格拼接方法,研制了处理滑移界面的二维多介质程序。二维多介质程序解决了单介质程序无法处理的电极与飞片之间相互作用的模拟问题,能更准确地模拟磁驱动发射实验的飞片状态。计算结果表明:发射飞片的自由面部分始终保持固体密度状态;自由面速度历史和VISAR测量的速度曲线相吻合;飞片中间部分在电流加载过程中始终具有良好的平面性,飞片两端出现拖尾质量,产生不稳定性,这是由于飞片两端与飞片中间部分的磁场强度分布不同造成的。     

Application of the high-resolution Godunov method to the multi-fluid flow calculations

In this paper, we have numerically solved the multi-fluid problems using an operator-split two-step high-resolution Godunov PPM (parabolic piecewise method) for the flow in complex geometries. By using the front capturing method,the PPM integrator captures the interface in the solution process. The basic multi-fluid integrator is coupled to a Cartesian grid algorithm where a VOF (volume of fluid) representation of the fluid interface is also used. As an application of this method, we test the 2D interracial advection example and simulate an experimental hypervelocity launcher model from Sandia National Laboratories. The computational design of the hypervelocity launcher is also given in the paper.     

三维SPH程序及其在斜高速碰撞问题的应用

叙述了平滑粒子流体动力学(简称SPH)的基本概念,重新推导了所用的基本方程。介绍了具体计算格式、算法以及策略等。对所编制的程序作了一定的检验。对SPH方法中的人为粘性和人为热流的作用作了数值考查。还提供了一个三维高速碰撞现象的算例。最后指出尚存在的若干问题。     

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

 在拉格朗日坐标系下，建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组，并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟，得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。     

Residual microstructure associated with impact craters in TiB2/2024Al composite

Residual microstructures associated with hypervelocity impact craters in 55 vol.% TiB(2)/2024Al composite were investigated by transmission electron microscopy (TEM) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). TiB(2)-Al interface, TiB(2) particles and Al matrix before and after hypervelocity impact were compared to discuss the effect of hypervelocity impact. A new Al(x)O(1-x) phase with the fcc structure and the crystal parameter of 0.69 nm was formed at TiB(2)-Al interface. Stacking fault with width of 10-20 nm was formed along the (001) plane of TiB(2) particle. Formation of nanograins (≈ 100 nm) was observed within Al matrix, moreover, lamellar S' phase was transformed into lenticular or spherical S phase after hypervelocity impact.     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

In-Zinerater液态包层输运燃耗数值模拟

Z-Pinch惯性约束聚变是未来一种有竞争力的能源候选方案。Z-Pinch驱动的聚变裂变混合堆可高效地嬗变反应堆乏燃料中分离出的超铀元素。对美国Sandia国家实验室提出的In-Zinerater混合堆概念进行了中子学分析和数值模拟。在三维输运燃耗耦合程序MCORGS中增加了处理在线添加燃料与去除裂变产物的功能,实现了对液态燃料燃耗过程的模拟。增加6Li丰度和燃料初装量保持寿期初反应性不变,可以减缓寿期内反应性下降趋势。逐步增加包层内超铀元素装量,可以控制整个寿期内反应性基本恒定。聚变功率取20 MW,通过反应性控制,5年内包层能量放大倍数在160～180之间,氚增殖比在1.5～1.7之间,优于In-Zinerater基准设计方案。     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

A hybrid OPCPA/Nd:phosphate glass multi-terawatt laser system for seeding of a petawatt laser

To enhance radiographic abilities on its Z-Accelerator, Sandia National Laboratories is incorporating a petawatt laser system into the existing Z-Backlighter laser facility. As part of this work, a short-pulse laser has been constructed to seed the larger Beamlet type Nd:phosphate glass slab amplifiers. This seed laser consists of an optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) system joined to a Nd:phosphate glass rod amplifier system in order to achieve multi-Joule sub-picosecond operation. The rod amplifier system has been modeled using the Miró code which shows good agreement with the experimental results. This system can achieve focal intensities up to 10¹⁸ W/cm² at a repetition rate of once every 20 min and has been applied to produce k-alpha X-rays in copper.     

Operating characteristics and modeling of the LLNL 100-kV electricgun

In the electric gun, the explosion of an electrically heated metal foil and the accompanying magnetic forces drive a thin flyer plate up a short barrel. Flyer velocities of up to 18 km/s make the gun useful for hypervelocity impact studies. The authors review the technological evolution of the exploding-metal circuit elements that power the gun, describe the 100-kV electric gun designed at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in some detail, and present the general principles of electric gun operation. They compare the experimental performance of the LLNL gun with a simple model and with predictions of a magnetohydrodynamics code