辐射输运与电子能量强耦合源项的一种高效计算方法

本文研究辐射输运和电子能量耦合方程组的数值方法. 在具有光性厚特征的应用问题中,这两类方程的耦合源项表现出强刚性,使得设计稳健高效的数值格式陷入困难.针对辐射输运多群模型和电子能量的耦合方程组的刚性源项,我们给出一种基于电子温度变化规律拟设（ansatz）的积分算法,其时间步长不受刚性源项限制,从而使得计算效率比传统显式方法或隐式非线性迭代获得本质的提高.在所基于的拟设有效时,算法确保给出具有物理意义的解,数值算例显示其给出的解具有较高的精确度.     

强爆炸早期火球现象的一维数值研究

采用一维球对称辐射流体力学方程组,构建直接求解辐射输运方程的一种数值方法,得到强爆炸早期火球发展过程中火球阵面、弹壳冲击波的形成发展过程.计算结果与Brode结果进行对比,二者一致,证明数值方法的合理性.数值模拟爆炸源区不同当量、不同密度以及不同爆炸高度等条件下强爆炸早期火球发展过程中火球阵面、弹壳冲击波的形成发展过程,对计算结果进行比较分析.     

龙格库塔间断有限元方法在计算爆轰问题中的应用

构造求解带源项守恒律方程组的龙格库塔间断有限元(RKDG)方法,并分别结合源项的Strang分裂法和无分裂法数值求解模型守恒律方程和反应欧拉方程.为了和有限体积型WENO方法进行比较,设计计算源项的WENO重构格式.对一维带源项守恒律的计算表明,对于非刚性问题,RKDG方法比有限体积型WENO方法的误差更小;对于刚性问题,RKDG方法对于间断面位置的捕捉更为精确.对于一二维爆轰波问题的计算结果表明,RKDG方法对爆轰波结构的分辨和爆轰波位置的捕捉能力更强.     

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从Lagrange观点出发,采用分裂格式法求解一维辐射流体力学方程组中的三温方程,用于紧凑等离子体环与靶碰撞产生的X射线辐射的数值模拟研究。提出了求解电子、离子、辐射场三温相脱离的能量方程的隐式差分格式,介绍了能量交换项与压力做功及热传导项分开计算的分裂格式方法,数值模拟得到了其对温度变化的影响。     

含双时间步法的化学非平衡流解耦算法

发展基于隐式双时间步法的化学非平衡流解耦型计算方法.采用算子分裂法对流动和反应进行解耦处理,流动方程组通过双时间步方法求解;源项方程组采用二阶梯形公式迭代求解;提出"源项消去"法,以消除化学反应源项对流动求解引入的误差,从而保证流动方程组求解的时间精度.理论分析和计算结果表明,方法既可以保证双时间步法的求解效率,又可以获得比较精确的非定常计算结果.     

一种新的可计算可压缩流动的预处理方法

针对使用可压缩流动数值方法求解不可压缩流动存在的刚性问题,基于虚拟压缩法思想,构造了一种以Mach数、速度、密度、温度等变量为元素的预处理矩阵,改变了控制方程组的特征根并使其量级更接近.通过理论推导与分析,证明新方法相比Weiss, Pletcher, Dailey和Choi的方法而言,不仅能降低方程组的刚性,提高了数值求解效率,而且拥有更好的稳定性,此外还能实现低速流动和高速流动之间的光滑过渡.采用有限差分格式进行离散,对流项的Roe格式作为基本加权无振荡(WENO)格式的求解器,黏性项则使用中心型紧致差分格式来计算,与预处理矩阵相结合展开数值实验,结果表明新预处理方法可以实现对无黏和有黏不可压缩流动问题的高精度模拟,且拥有比Weiss和Pletcher等提出的方法更好的收敛性和稳定性.     

基于半隐式算法的反应欧拉方程数值计算

在处理反应欧拉方程中源项所引起的刚性问题时,发展了一种IMEX(Implicit-Explicit)型Additive Runge-Kutta半隐式算法,此方法能够节省计算时间和内存;该算法对方程中的非刚性对流项进行显式计算,刚性源项则用半隐式格式计算。为了验证该算法的可行性,通过对典型的马赫反射、二维气相爆轰、爆轰波的传播和爆轰胞格结构进行了数值模拟。模拟结果表明:该算法能够很好地处理由源项引起的刚性问题,准确地反应马赫反射情况,且得到的胞格结构与实验结果十分吻合。     

一种基于特征理论模拟凝聚炸药爆轰的单元中心型Lagrange方法

提出一种数值模拟凝聚炸药爆轰问题的单元中心型Lagrange方法.利用有限体积离散爆轰反应流动方程组,基于双曲型偏微分方程组的特征理论获得离散网格节点的速度与压力,获得的网格节点速度与压力用于更新网格节点位置以及计算网格单元边的数值通量.以这种方式获得的网格节点解是一种"真正多维"的理论解,是一维Godunov格式在二维Riemann问题的推广.有限体积离散得到的爆轰反应流动的半离散系统使用一种显-隐Runge-Kutta格式来离散求解：显式格式处理对流项,隐式格式处理化学反应刚性源项.算例表明,提出的单元中心型Lagrange方法能够较好地模拟凝聚炸药的爆轰反应流动.     

分布式存储环境下非平衡刚性方程组的数值并行计算

采用非平衡刚性方程组的数值模拟计算来研究辐射的非平衡现象,分析了数值模拟计算过程中的并行性,提出一种负载平衡方法,为了增加数据局部性提出了一种多机串行计算方法.给出相应的并行算法,分析了并行算法的通信复杂性,给出了工作站机群上的测试结果.     

气相爆轰高阶中心差分-WENO组合格式自适应网格方法

研究一种高阶中心差分-WENO组合格式,并采用自适应网格方法进行二维和三维气相爆轰波的数值模拟.采用ZND爆轰模型的控制方程为包含化学反应源项的Euler方程组.组合格式在大梯度区采用WENO格式捕捉间断,在光滑区采用高阶中心差分格式提高计算效率.采用一种基于流场结构特征的自适应网格.计算结果,表明这种方法同时具有高精度、高分辨率和高效率的特点.     

Numerical Study on the Whole Process of Fireball Evolution in Strong Explosion *

With the actual mean free path for radiation in air and a simplified nuclear device, a one-dimension simulation research on fireball phenomenon in a sea level atmosphere is carried out based on the multi-group radiation hydrodynamic codes (RDMG). It is shown that our theoretical calculations can describe the whole process of the fireball evolution for strong explosions from the early X-ray expansion stage to the shock wave propagation stage. The radius of the shock wave and the brightness of the fireball are in good agreement with the experimental results. The whole thermal radiation power curve of the fireball evolution for strong atmospheric explosion at sea level is plotted for the first time. The impact of radiation opacity of the nuclear device material on the early fireball phenomenon is also studied. It is found that trajectories of the radiation fronts and case shocks change with the opacity of equivalent device material. From our simulations, we find that only the early fireball depends on the details of the nuclear device, and after the formation of main shock, the evolution is determined by the properties of hot air for strong atmospheric explosion.     

高空核爆炸火球的二维辐射流体力学计算

本文介绍了高空核爆炸火球的二维辐射流体力学计算的主要计算方法和部分计算结果,用柱对称最大熵变Eddington因子P-1近似方程描述了高空核爆炸的辐射输运过程,讨论了P-1近似的边界条件,对能量方程和P-1近似方程的耦合,给出了一个新的差分格式,提高了耦合计算的精度,显著地减少了计算量,同时有效地克服了辐射输运计算中出现的非物理振荡现象。     

Relativistic neutron fireball from a supernova explosion as a possible source of chiral effect. The role of bremsstrahlung photons

We develop the idea, proposed earlier, of a possible role of neutrons, released in a supernova (SN) explosion, as a source of polarized electrons that cause chiral asymmetry of organic molecules in interstellar gas-dust clouds. The neutrons are carried away from the dense SN shell by a relativistic neutron fireball with Lorentz factor γ of order 100. At the early stage of this carrying away, the ejected polarized electrons generate circularly polarized photons as a result of bremsstrahlung in the fireball plasma. The photons of energy near 5 eV in the ultraviolet part of the spectrum show a high efficiency of the chiral effect. In the favorable case of low absorption in the interstellar medium this mechanism may appear to be more (by two orders of magnitude) efficient than the chiral effect of the polarized electrons from the same fireball.     

Parametric studies on hydrocarbon fireball using large eddy simulations

Occurrences of fireball close to plant buildings due to the release of flammable hydrocarbon fuel caused by the formation of fuel vapour cloud poses severe safety concerns. On the availability of potential ignition source, the induced fireball would cause the damage to the structures of nuclear power plant by direct contact, radiation and/or convection of hot combustion products through the opening of air intakes and ducts. In the present paper, the accidental/ experimental observations and theoretical studies of fireball are summarised. Computational fluid dynamics (CFD) analyses have been carried out to study the behaviour of fireball using OpenFOAM CFD software. The parametric studies are conducted by varying the mass of fuel, inlet velocity and inlet diameter. The new correlations for fireball diameter and duration have been proposed based on the parametric studies using CFD simulations. The fireball with a larger amount of fuel releases the heat slower and for a longer duration. The high heat released rate (HRR) is observed in case of a larger inlet diameter used for the same mass. The incident radiation from the fireball is calculated at different locations to assess thermal hazard. Analysis performed show that various parameters like fireball diameter, duration and the radiative flux falling at different locations can be predicted well using CFD code.     

Light Calorimeters

The heat losses in mechanical light calorimeters of various sensitivities for measuring the energy of the light pulse emitted by the fireball of a powerful nuclear explosion were measured experimentally and calculated theoretically.     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制——现场实验与测量精度分析

研制了可用于大型爆炸现场的、 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计(量程为800~3 500 ℃,波长范围为0.6~1.1 μm)。测量原理进一步改进,加入亮温逼近法解决了二次测量法初值选取困难的问题,并应用此高温计在空旷场地对3 kg TNT炸药爆炸的全过程进行测量。通过实验结果的分析可知,此高温计可以测量爆炸火焰真温变化全过程,对波阵面瞬时温度与燃烧火球温度的测量均具有很好的效果。同时,分析了影响此高温计测量精度的各个因素,得出目前制约多光谱高温计测量精度提高的主要因素仍然为真温算法及标定方法的误差,这为今后研制高精度高温计明确了方向。     

Meson Production Mechanism at 70 GeV

Photoemulsion plates exposed to 70 GeV proton beam from Serpukhov Accelerator, USSR, have been analysed and part of the data has been utilized to obtain the distribution of the secondary particles in order to ascertain their production mechanism in the fireball model. This intermediate state for the production of secondaries has been identified from log tan θ plot and from the target diagram method. The parameters of the fireball were calculated by the method used by AGNESE et al. It is seen that the fireball model is favourable in 16% of the events studied. The average mass of the fireball is found to be (2.80 ± 0.1) GeV and its momentum to equal 169.62 MeV/c. The polar rotated angular distribution gives a good fit to the experimental data.     

煤矿巷道瓦斯爆炸冲击波与高温气流的关系

 为了给瓦斯爆炸后煤尘二次爆炸的深入研究提供理论依据,应用计算流体力学方法,对煤矿巷道内瓦斯爆炸的瞬态流场进行了数值模拟,得到了冲击波与高温气流流动的时空关系,并借助实验对数值方法进行了验证。研究表明：在瓦斯爆炸后的一定时间内,近场区域和远场的部分区域极有可能引发煤尘二次爆炸。给出了可能发生煤尘二次爆炸的区域随瓦斯区长度的函数关系式,以及远场中峰值温度和峰值超压到达时间的间隔随轴向距离和瓦斯区长度的分布特性。     

强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟

提出一种自适应网格方法,应用于基于Euler方法的强爆炸辐射流体高精度数值求解。通过与Zinn数值结果对比,验证该方法的正确性。研究自适应网格对冲击波和光辐射输出模拟精度的影响,对比不同网格尺度下的计算耗时。在相同的条件下,使用自适应网格与均匀网格加密3倍得到的冲击波超压分布、光辐射输出演化接近,计算效率提升约8.5倍。由此可知,提出的自适应网格方法可用于强爆炸问题的高精度数值模拟,显著地提升模拟精度和模拟效率。