PETN炸药爆轰产物状态方程的理论研究

 采用van der Waals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型,计算爆轰气相产物的状态方程;用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态描述凝聚成分,由Gibbs自由能最小原理确定不同状态下的凝聚产物相态。对爆轰产物混合系统采用自由能最小原理,通过化学平衡方程组求解炸药爆轰产物系统的平衡组分。使用该理论计算PETN炸药Chapman-Jouguet（CJ）点的爆轰参数,其值与实验值符合得很好;同时计算了以CJ点为起始点的等熵卸载线,并与传统的Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程的计算结果进行比较,发现计算的γ值是单调递减的,而JWL状态方程计算的γ值却出现了“双峰”现象。分析认为,传统的JWL状态方程给出的“双峰”变化,是由其函数形式自身决定的,并不对应实际物理过程。     

炸药爆轰的连续介质本构模型和数值计算方法

假定炸药和爆轰产物处于局部热力学平衡状态, 即它们的压力和温度相同, 利用热力学基本关系建立炸药爆轰过程的连续介质本构模型的一般理论框架. 在此框架下, 炸药爆轰本构模型由一组常微分方程构成, 包括炸药和爆轰产物的状态方程、简单混合法则、化学反应速率方程和能量守恒方程, 易于由成熟的计算方法如梯形法等进行求解. 一组广义Maxwell型非线性固体本构形式的微分方程描述了压力和温度随时间的演化速率与应变率和化学反应速率的关系, 借助简单混合物理论, 其中的系数由炸药和爆轰产物的材料参数确定. 未反应的炸药和爆轰产物采用JWL状态方程, 化学反应率方程采用Lee-Tarver点火-燃烧二项式模型, 模拟PBX-9404炸药的一维冲击波起爆过程和爆轰波传播过程. 计算结果表明了本文给出的本构模型和相应计算方法的有效性. 关键词： 炸药爆轰 本构模型 化学反应率方程 数值模拟     

基于Mie-Grüneisen状态方程的爆轰波运动数值模拟

依据C-J（Chapman-Jouguet）理论,对爆轰问题中的气态爆轰产物和未反应炸药分别考虑不同的参考状态,并根据参考状态选用特定的Mie-Grüneisen状态方程。忽略化学反应过程,爆轰产物厚度为零的前导激波面以界面的形式存在。数值模拟中,爆轰波的演化分为波面传播以及与未反应介质相互作用两个部分。传播过程中,爆轰波的传播速度即恒定的爆速,爆轰产物在传播过程中瞬间形成,而相互作用过程则是通过Mie-Grüneisen多介质混合模型来计算爆轰波的持续冲击作用。借助于Mie-Grüneisen状态方程以及Mie-Grüneisen多介质混合模型,可以很好地模拟爆轰波的运动过程。对比理论参数及文献的计算结果发现,模拟结果具备较好的准确度。     

论VLW状态方程

 论述了VLW状态方程中爆轰产物分子势参数的确定；根据不同类型炸药爆轰性能参数计算结果对炸药爆轰产物碳在CJ态的相进行了分析讨论，认为不同的炸药，产物碳有石墨和金刚石两种相存在；将VLW状态方程和BKW状态方程进行了比较分析，指出了BKW状态方程与VLW状态方程的区别及其产生的原因，并给出了VLW状态方程计算含能材料（包括高能炸药、燃料空气炸药、民用炸药）的爆轰性能参数计算结果。结果表明，计算值与实验值符合较好。     

HMX炸药燃烧转爆轰数值模拟

以两相流模型为基础,气相产物状态方程采用基于统计物理的类CHEQ的计算结果,建立了HMX炸药的燃烧转爆轰数学模型。采用CE/SE方法模拟了颗粒度为125μm的HMX炸药的燃烧转爆轰过程,得到了爆轰参数及流场变化规律。模拟了装填密度对HMX炸药燃烧转爆轰的影响,并与实验进行了对比。数值模拟结果表明,在相同的点火条件下,爆轰成长距离在一定范围内随装填密度呈"U"形变化。     

钝感高能炸药爆轰产物JWL状态方程再研究

对钝感高能炸药JB-9014的爆轰产物JWL状态方程进行了深入研究。利用改进的圆筒试验技术,得到了筒壁膨胀的质点速度、位移和加速度的实验结果;通过解析分析和曲线拟合相结合的方法,确定了爆轰产物JWL状态方程参数;采用ANSYS/LS-DYNA3D程序进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比和分析,验证了状态方程参数的适用性。     

散心爆轰的数值模拟

本文在瞬时稳态爆轰的假定下,简要叙述了散心爆轰的不定常性质。在散心爆轰的数值模拟方法中,我们改进了人造粘性并用Cochran反应率和JWL状态方程来描述炸药的引爆过程。计了几个典型的散心爆轰问题,得到了比较满意的结果。     

基于统计物理的爆轰产物物态方程研究

用van der Waals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型，计算爆轰气相产物的状态方程；用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相４种相态描述凝聚成分，由Gibbs自由能最小确定不同状态下的凝聚产物相态.对爆轰产物混合系统采用Gibbs自由能最小原理，通过化学平衡方程组求解炸药爆轰产物系统的平衡组分，计算结果与Becker-Kistiakowsky-Wilson (BKW)和Lennard-Jones-Devonshire结果相近.使用该理论对炸药的爆轰参数做了预言，与BKW，Jo 关键词： 爆轰产物 物态方程 化学平衡方程组     

炸药爆轰产物Jones-Wilkins-Lee状态方程不确定参数

Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程是一种不显含化学反应、由实验方法确定参数的半经验状态方程, 能比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程. 在JWL状态方程中有多个未知(不确定)参数需要确定. 传统的确定JWL状态方程参数的方法是“调参数”, 人为因素影响较大, 无法给出参数的不确定性信息. 本文利用贝叶斯分析方法研究了炸药的不确定参数, 该方法能够基于以往的认识、实验和模拟数据标定(calibration)不确定参数. 在本文结果中, 不确定参数的后验分布均值与文献结果相符合, 基于参数标定结果的数值模拟90%置信区间完全包含实验数据. 数值标定结果说明贝叶斯参数标定适用于确定样品炸药的JWL状态方程参数. 特别是, 在本文JWL状态方程参数标定过程中极大地减少了人为因素的影响.     

战斗部爆轰产物温度效应数值模拟

 利用BKW代码、JWL方程和LS-DYNA程序，研究了无约束、弱约束和强约束等三种战斗部约束条件下炸药爆轰产物密度随时间的变化关系，再结合爆轰产物HOM状态方程获得爆轰产物温度随时间的衰变函数。给出了战斗部爆轰产物温度的理论计算方法。研究表明，爆轰区内爆轰产物温度及其衰减速率并不均匀，战斗部炸药的约束条件对爆轰产物密度和温度有重要影响，强约束可以延缓爆轰产物密度和温度的衰减，相同情况下仅战斗部壳体厚度加倍并不会导致爆轰产物密度和温度的衰减情况同比例变化。     

固体推进剂燃烧产物平衡组分的一种新算法

应用梯度法和Monte Carlo方法对固体推进剂燃烧产物平衡组分进行了计算。比较其优缺点,提出了一种新的算法:梯度-Monte Carlo法。计算表明,无论从机时和精度都可得到满意的结果。     

Effect of Intranuclear Cascades on the Composition and Energy of Fragments Originating from Si( $${p,x}$$ ) and Fe( $${p,x}$$ ) Nuclear Reactions

Physics of Atomic Nuclei - Quantum-mechanical models and the Monte Carlo method are used to study the composition and energies of products of nuclear reactions induced by collisions of fast protons...     

Backward Monte Carlo simulation for apparent directional emissivity of non-isothermal semitransparent slab

A backward Monte Carlo method based on radiation distribution factor is extended to compute the apparent directional emissivity of one-dimensional absorbing-emitting-scattering semitransparent slab with specular semitransparent surface and opaque diffuse substrate. A non-isothermal semitransparent slab is taken as an example to examine the efficiency of backward Monte Carlo method. The apparent directional emissivity of the semitransparent slab is determined by backward Monte Carlo simulation and compared with that determined by forward Monte Carlo simulation. The results show that the backward Monte Carlo method is very efficient in solving the apparent directional emissivity of the semitransparent slab. The backward Monte Carlo method converges more quickly than the forward Monte Carlo method.     

热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

惯性约束聚变研究中,热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一.隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程,但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时,该方法花费的计算时间将变得很长,导致模拟效率很低.本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础,开发了"离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序",可以较好地解决重介质区的计算效率问题,但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高.辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质,为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题,本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法,并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法,研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序.典型辐射输运问题模拟显示:在模拟重介质问题时,该程序能大幅缩短模拟时间,且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果;在模拟轻重介质均存在的问题时,与隐式蒙特卡罗方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

Quantum statistical monte carlo methods and applications to spin systems

A short review is given concerning the quantum statistical Monte Carlo method based on the equivalence theorem⁽¹⁾ thatd-dimensional quantum systems are mapped onto (d+1)-dimensional classical systems. The convergence property of this approximate tansformation is discussed in detail. Some applications of this geneal appoach to quantum spin systems are reviewed. A new Monte Carlo method, “thermo field Monte Carlo method,” is presented, which is an extension of the projection Monte Carlo method at zero temperature to that at finite temperatures. Invited talk presented at “Frontiers of Quantum Monte Carlo,” Los Alamos National Laboratory, September 3–6, 1985.     

路径积分Monte Carlo方法与非线性随机振动

给出了一种求解非线性随机振动问题的新方法-基于路径积分表述的Monte Carlo方法。受白噪声激励的非线性系统的各响应统计值被表成路径积分形式,并采用Monte Carlo方法进行计算。讨论了应用方面的问题,并计算了两个实例。     

Monte carlo methods and lattice discontinuities

The choice of the Monte Carlo method for the theoretical study of lattice discontinuities, such as surfaces, grain boundaries and dislocations is justified. A brief, non-rigorous discussion of the basic statistical mechanics required to develop the Monte Carlo method is given. Current work in the theoretical study of interfacial systems in solids is reviewed and problems to which the Monte Carlo method might be applied are suggested.     

蒙特卡罗粒子输运问题的全局降方差方法

精确获得中子通量的时间-空间-能量精细分布对于一类非定常粒子输运蒙特卡罗模拟至关重要.以零方差理论为基础,采取化整为零的策略,把蒙特卡罗方法与离散纵标方法相耦合,用近似重要函数指导蒙特卡罗模拟,给出一种实现蒙特卡罗全局降方差的计算方案.数值算例表明,该计算方案获得了全局降方差的效果.     

Monte Carlo simulations in the isothermal—isobaric ensemble: the requirement of a ‘shell’ molecule and simulations of small systems

A modification of the widely used Monte Carlo method for determining thermophysical properties in the isothermal-isobaric ensemble is presented. The new Monte Carlo method, now consistent with recent derivations describing the proper statistical mechanical formulation of the constant pressure ensemble for small systems, requires a ‘shell’ molecule to uniquely identify the volume of the system, thereby avoiding the redundant counting of configurations. Ensemble averages obtained with the new algorithm differ from averages calculated with the old Monte Carlo method, particularly for small system sizes, although both sets of averages become equal in the thermodynamic limit. Monte Carlo simulations in the constant pressure ensemble applied to the Lennard-Jones fluid demonstrate these differences for small systems. Peculiarities of small systems are also discussed, revealing that ‘shape’ is an important thermodynamic variable. Finally, an extension of the Monte Carlo method to mixtures is presented.