MAGNETO-HYDRODYNAMICS MODELING OF CONFIGURATIONS IN MAGNETICALLY DRIVEN ISENTROPIC COMPRESSION EXPERIMENTS

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS 的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩（ICE） 实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形（台阶靶） 运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流（电压） 数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟. 介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3 种性能不同材料的台阶靶样品ICE 实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面（或光学窗口界面） 速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义. 旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.     

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面:能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。     

磁驱动平面飞片的一维磁流体力学计算

建立了电磁驱动平面飞片的一维磁流体力学模型,考虑了焦耳加热的影响,并对Sandia实验室Z装置上开展的一个实验进行了模拟计算,与实验结果的比较表明,计算给出的样品自由面速度历史曲线与实验VISAR测量的结果基本一致。还分析了焦耳加热对飞片的烧蚀情况,并分析了磁场穿透深度,给出了不同厚度飞片自由面的速度历史曲线。     

磁驱动等熵压缩和高速飞片的实验技术（续2）

4磁压加载等熵压缩实验的数据处理方法 4．1磁驱动实验测量技术 磁驱动实验与通常冲击动力学实验的差别首先在于加载手段的不同，不是纯力学方式（即通过驱动器与样品的直接接触施加作用力）加载，而是利用经过样品的电流与其自身产生磁场相互作用的电磁力无接触地加载，其优点是磁压力的高低只与导体样品表面电流密度有关。在不考虑磁扩散的前提下，把流经导体样品表面的电流密度及其分布测量准确，就能准确的给定磁压力。对于简单的电极构形，通常用罗柯夫斯基线圈测量流过的脉冲电流。     

内爆磁压缩准等熵加载过程分析与实验验证

利用磁流体力学程序SSS-MHD模拟了炸药柱面内爆磁通量压缩发生器CJ-100装置的加载过程,讨论了各项装置参数的影响,结果表明装置可达到的峰值磁场值与初始磁场值成反比关系。设计了铁/铜夹层结构的样品靶,在该型装置上开展纯铁的准等熵加载实验。利用光子多普勒测速探头测量到6.43 km/s的样品靶自由面速度,在DT4铁中获得206 GPa的准等熵加载压力。铁材料的压力-比容曲线与理论等熵线基本重合,表明内爆磁压缩加载过程具有较高的等熵程度。     

磁驱动飞片的一维磁流体动力学数值研究

磁驱动高速飞片技术是近年来发展的一种新型实验技术,在冲击波物理领域得到应用。该过程伴随着磁场扩散,并由此引起焦耳加热,使得飞片加载面的相状态发生变化,这决定了飞片厚度的范围。基于拉格朗日坐标系,利用磁流体动力学方程组、电阻率方程和状态方程数据库,对磁驱动铝飞片进行了一维磁流体动力学数值计算,获得了不同时刻铝飞片密度、温度的剖面分布,得到了磁场扩散速率随加载电流密度的变化关系。文章所选取的电导率方程只考虑到汽化点为止,对于等离子体形成的过程无法描述,如果要精确描述更高电流密度下的驱动过程,需考虑更为普适的电导率方程。磁场扩散速率随加载电流密度的变化存在转折点,在转折点前后可分别用两个线性关系表达式加以刻画。利用这些关系和冲击波物理相关知识,对磁压加载等熵驱动飞片实验样品厚度的选择进行了研究。     

一种耦合电路分析的磁驱动飞片数值计算方法

分析了磁驱动飞片实验和数值计算的研究现状。根据磁驱动实验装置等效电路建立了可带入参数为表达式的电路计算程序。利用建立好的电路计算程序结合LS－DYNA980 MHD计算软件,建立了一种可以耦合电路分析的磁驱动飞片计算方法。采用这种方法模拟了CQ－4的发射飞片实验,计算结果与实验基本符合。最后分析了极板长度h分别为20、25、30 mm并且充电电压73 k V时磁驱动飞片的速度和平面性,认为实验中极板长度取25 mm比较合适。     

磁探针速度传感器研究

应用Hopkinson杆装置,对磁探针速度计进行了实验测定。发现对待测自由面速度阶跃,磁探针有两种类型稳定的输出信号,分别对应于不同的速度范围。对某个特定磁探针来说,其初始信号峰值与速度成正比的条件是速度大于某个阈值。实验还测定了间距大小对磁探针输出信号的影响,给出了磁探针对阶跃实验的响应波形。基于实验条件,本文探讨了磁探针原理、测量电路特性以及靶板涡流的穿透深度等理论问题,得到的结果可以定性解释磁探针的两种特征信号以及它们间的转化机理。本文工作表明,磁探针可以用来定量测量自由面速度的初始阶跃幅度,准确测定全时域的速度阶跃时刻,但不足以确定整个速度历史。为使这种传感器更加成熟,其结构和线路有待改进。     

一维平面磁驱动等熵加载发射飞片技术

探索了一维平面磁驱动发射飞片的实验技术,实现了在一个样品上同时发射两个不同厚度的飞片,并利用VISAR测试技术同时获得了两个飞片自由面完整的速度历史。其中在回路放电峰值电流密度为823 kA/cm的情况下,在上升前沿2 s内将厚度为0.38 mm、直径为4 mm的铝飞片发射到1.5 km/s,作用在飞片上的最大磁压力为4.25 GPa。显微分析发现,在飞片速度较高的情况下,飞片与镗孔底部剪切破坏的断口上,由于凝固过程中过冷度大有非晶等现象出现。进一步促进了磁驱动等熵加载、发射飞片实验技术、物态方程研究的开展。     

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响，采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因，为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据，建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型，并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中，飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大；厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大，在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.9 mm，阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时，飞片的电流加载面的位移为4.1 mm，阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因，不是阴极板面保持位置不动，而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加；在磁驱动实验后期，飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。     

水中金属丝电爆炸动力学过程的零维模型

金属丝电爆炸包含丰富的物理内容，近年来国内的实验和理论研究取得了重要进展，理解该过程有助于完善Z箍缩及磁加载等离子体动力学过程的物理建模，校验物性参数。在自相似运动假设条件下，发展了冷启动计算的水中电爆炸丝零维动力学模型。从一维磁流体模型出发，推导了描述丝等离子体膨胀的零维动能方程和内能方程，采用实际气体状态方程和修正的李-莫尔电导率参数作为封闭条件，根据质量守恒及水中激波雨贡纽关系式获得了丝等离子体的边界条件。应用于水中铜丝电爆炸动力学过程和能量转化分析，结果表明：该零维模型的物理假设合理，在一定范围内改变丝直径等参数可产生不同的放电模式，与一维模型及实验结果符合较好，能够为同类实验的优化设计和数据分析提供参考。     

飞片撞击下JO-9159炸药的脆性损伤

介绍了高能炸药在飞片撞击下脆性损伤的实验和理论研究工作。采用了火药枪装置驱动铝飞片作为加载手段 ,对被研究样品JO 915 9进行碰撞 ;回收了经受撞击破碎的样品 ,对其进行筛网分析获得破片数目分布 ;据此分布和有关文献数据 ,给出了JO 915 9炸药的成核 增长 (NAG)模型系数。将适用于脆性损伤模式的一维NAG模型子程序加入一维流体弹塑性动力学计算编码 ,完成调试和初步数值模拟工作 ,计算所得的样品最大损伤区域与实验得到的层裂片厚度接近。     

PBX-9501强爆轰产物状态方程的数值模拟

利用P.K.Tang的JWL强爆轰产物状态方程改造了DEFEL二维弹塑性流有限元源程序,并用改造后的DEFEL程序模拟了一系列飞片撞击PBX-9501炸药的一维强爆轰过程,给出了炸药驱动二级飞片(铝)的速度。计算得到的产物状态参数与实验测量结果符合较好,验证了增加修正项的新状态方程可较好地描述高能炸药的超压爆轰的高压流体动力学过程。     

Laboratory astrophysics and non-ideal equations of state: the next challenges for astrophysical MHD simulations

Laboratory astrophysics holds great promise not only as a highly effective validation tool for astrophysical magneto-hydrodynamics (MHD) codes but it also presents a unique challenge for these codes. The high-density plasmas found in these experiments are not well modeled by the ideal equations of state (EOS) found in most astrophysical simulation codes. To solve this problem, we replaced the ideal EOS scheme in an existing MHD code, AstroBEAR, with a non-ideal EOS method and validated our implementation with van der Waals shock tube tests. The improved code is also able to model flows that contain more than one material, as required in laboratory experiments. Simulations of jet experiments performed at the OMEGA Laser reproduce the morphology of the jet much better than when the code used a single material and an ideal EOS.     

On the structure of MHD shock waves in a viscous non-ideal gas

The structure of one-dimensional magnetohydrodynamics (MHD) shock waves is studied using the Navier–Stokes equations for the non-ideal gas phase. The exact solutions are obtained for the flow variables (i.e. particle velocity, temperature, pressure and change-in-entropy) within the shock transition region. The equation of state for a non-ideal gas is considered as given by Landau and Lifshitz. The effects of the non-idealness parameter and coefficient of viscosity of the gas are analysed on the flow variables assuming the magnetic field having only constant axial component. The findings confirm that the thickness of MHD shock front increases with decreasing values of the non-idealness parameter.     

聚龙一号上磁驱动铝飞片发射实验的数值分析与再设计

聚龙一号上PTS-151发次实验中,磁驱动加速370 μm厚飞片测得的最大速度为18 km/s,磁驱动加速482 μm厚飞片测得的最大速度为19 km/s。采用MDSC2程序, 对PTS-151发次实验进行了数值分析,结果表明:PTS-151发次实验中测量的最大速度的含义不同于以往文献中飞片的最大速度。以往文献中发射飞片在测试过程中自由面未被烧蚀,测试的最大速度为飞片自由面速度;PTS-151发次实验中两个飞片在测量过程中自由面被烧蚀,实验测量的最大速度为飞片被完全烧蚀前的一瞬间飞片内部最后一个固体面的速度。在飞片自由面未被烧蚀之前,370 μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为7 km/s,482 μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为11.8 km/s,远低于测量值。对PTS-151发次实验条件下飞片尺寸进行了再设计,飞片厚度为680 μm时最优,既能保证自由面未烧蚀,又使得飞片的速度最大,达到17.5 km/s。     

Unsteady magnetohydrodynamic stagnation point flow — closed-form analytical solutions

This paper investigates the unsteady stagnation point flow and heat transfer of magnetohydrodynamic(MHD) fluids over a moving permeable flat surface. The unsteady Navier-Stokes(NS) equations are transformed into a similarity nonlinear ordinary differential equation, and a closed form solution is obtained for the unsteadiness parameter of 2. The boundary layer energy equation is transformed into a similarity equation,and is solved for a constant wall temperature and a time-dependent uniform wall heat flux case. The solution domain, velocity, and temperature profiles are calculated for different combinations of parameters including the Prandtl number, mass transfer parameter, wall moving parameter, and magnetic parameter. Two solution branches are obtained for certain combinations of the controlling parameters, and a stability analysis demonstrates that the lower solution branch is not stable. The present solutions provide an exact solution to the entire unsteady MHD NS equations, which can be used for validating the numerical code of computational fluid dynamics.