烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（weighted essentially non-oscillatory schemes），给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用，模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数（冲量耦合系数等）。计算结果及与实验结果的对比表明，靶材料和激光参数（功率密度、波长、脉冲宽度等）是影响推进效应的主要因素，并且计算结果具有较高的精确度。     

有氧化剂(AP)含铝炸药的爆轰性能

对有氧化剂含铝炸药(RDX/AP/Al/粘合剂=20/43/25/12,下称含铝炸药)爆轰反应的点火增长模型进行研究。用VLW状态方程方法计算了含铝炸药爆轰产物JWL状态方程;用激光速度干涉仪（VISAR）测量炸药/窗口界面粒子速度和炸药驱动金属平板自由表面速度,对试验进行了数值模拟计算,拟合了含铝炸药的反应速率方程。研究结果表明,用VLW状态方程方法和炸药/窗口界面粒子速度确定JWL状态方程和反应速率方程可行,金属平板驱动试验的计算结果与试验结果吻合。     

激光导引超高压冲击波

在研究高压力下凝聚态性质建立状态方程时,大多采用冲击波技术。但现有的常规实验技术只能产生低于0.5 TPa的压力(1TPa=14万个大气压),而可靠的高压理论模型又都在1-20 TPa以上。为了研究这一压力区,近年国外发展了核爆驱动法,激光驱动法,轨道炮驱动法等。     

纳米固体材料的物理力学问题

纳米固体材料是由粒度为5—15纳米(nm)的粒子在保持清洁表面的条件下经高压(一般为5GPa)成型的固体材料.这种材料具有新型固体结构和优异的性能.本文提出纳米固体材料制备和性能研究中的物理力学问题.这些问题包括纳米粒子的粒度和分布;压强,密度和状态方程;界面弹性性能和原子间势;扩散塑性和陶瓷增韧;变形和强度以及吸波性.      

激光与材料相互作用研究中的气体物理学

强激光辐照材料时,烧蚀蒸气吸收部分或全部激光辐射,成为部分离化等离子体.它的传播称为激光支持的吸收波(LSAW).LSAW屏蔽入射激光,同时发射易被材料表面吸收的短波长辐射.研究这些过程,可用辐射流体力学描述蒸气的运动。为了求解辐射流体力学方程,必须利用气体物理力学方法,算出蒸气的状态方程和不透明度.本文对涉及的一些气体物理力学问题,进行了概略介绍.     

激光与材料相互作用研究中的气体物理学

强激光辐照材料时,烧蚀蒸气吸收部分或全部激光辐射,成为部分离化等离子体.它的传播称为激光支持的吸收波(LSAW).LSAW屏蔽入射激光,同时发射易被材料表面吸收的短波长辐射.研究这些过程,可用辐射流体力学描述蒸气的运动。为了求解辐射流体力学方程,必须利用气体物理力学方法,算出蒸气的状态方程和不透明度.本文对涉及的一些气体物理力学问题,进行了概略介绍.      

不同状态方程对固体介质中斜激波反射的影响

相比气体,固体介质在高压下的状态方程更为复杂,形式也多种多样.现有关于固体介质中激波反射的理论研究,一般直接采用某种状态方程,缺乏对采用不同状态方程得到的结果的对比.本项工作采用激波极曲线的理论分析方法,选择4种不同组合形式的状态方程(一次冲击激波采用线性的冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用Gr(u|¨)neisen状态方程;一次冲击和二次冲击激波均采用冲击波速度与粒子速度关系式:一次冲击激波采用线性冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用刚性气体状态方程;以及一次冲击激波和二次冲击激波均采用刚性气体状态方程),研究固体介质中的斜激波反射,比较了采用不同组合形式的状态方程对反射激波波后压力的影响.利用量纲分析方法讨论了简化状态方程达到较高精度的条件.此外,用ANSYS/LS-DYNA软件,对激波极曲线理论给出的结果进行了验证.本项工作可为固体介质中激波反射问题状态方程的选取提供一定的指导.     

磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展

利用脉冲大电流装置产生随时间变化平滑上升的磁压力,实现对平面、柱面等不同结构样品的磁驱动准等熵（斜波）压缩,为极端条件下材料动力学研究提供了一种偏离Hugoniot状态热力学路径的加载手段。本文从磁驱动准等熵加载装置、实验技术、数据处理方法等方面综述了磁驱动准等熵加载技术研究近十年的新进展,评述了利用磁驱动准等熵加载技术和方法开展极端条件下材料高压状态方程、高压强度与本构关系、相变与相变动力学等方面研究的进展情况,展望了磁驱动准等熵加载技术发展及其在材料动力学、武器物理和高能量密度物理等方面的应用前景。     

电磁加载下的高能量密度物理问题研究（续2）

3.2电磁驱动的高能量密度动力学研究3.2.1固体套筒内爆动力学实验磁力驱动下高速内爆的金属套筒是一个柱形会聚撞击器(又称为飞层),可用来进行冲击压缩和许多流体动力学实验,为此当撞击内部靶芯时套筒内表面附近必须接近于固体状态的密度,因而称为固体套筒。如同气体炮是标准的平面冲击加载装置那样,电磁驱动的固体套筒是柱面会聚冲击实验的通用平台,其能力和精度明显超过爆轰会聚装置,而且没有爆炸带来的种种不便之处。为了用各种材料作撞击器,在轻质良导体(如铝)驱动筒内侧衬上用所需材料制作的薄筒,组成所谓复合套筒。固体套筒内爆动力学…     

激光干涉测速技术

在材料的高压状态方程和动力学特性研究中,经常利用冲击波加载。这类实验需要高精度测量自由面速度,两种不同材料的界面速度及各种不同材料的粒子速度等。目前,世界上已有几十台激光干涉仪用于冲击波物理的研究,成功地测量了飞片速度,自由面速度,波后粒子速度及界面速度等。     

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性，基于粉末压制成型工艺，制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术，分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能，分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明:活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用，爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。     

脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到 30ns,空间分辨率达到 1mm;搭建快速~PIV 实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到 500ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50$\mu$s 后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.      

基于有限差分法薄板激光冲击响应的数值模拟

在激光冲击载荷作用下, 薄板变形速度快, 诱导产生的应力波的传播过程较为复杂. 传统的测量工具难以对薄板变形过程中的动态响应进行有效的测量. 本文采用理论与实验相结合的方法, 构建了薄板在激光冲击下二维轴对称平面模型, 建立其拉格朗日运动方程, 利用有限差分法求其显式解, 分析薄板在激光冲击载荷作用下薄板的变形过程和应力波的传播过程, 并研究不同工艺参数对薄板动态响应特性的影响. 结果表明, 薄板变形初期的速度为振荡式增加, 在快速的拉胀式变形过程中会出现明显的回弹现象, 在光斑边界处产生向内和向外传播的应力波, 载荷的压力-空间分布以及边界约束条件也对薄板的动态响应结果有显著的影响. 激光冲击实验得到的结果与数值结果和预测结果基本吻合. 研究方法与所得结论可为薄板激光冲击成形过程中的参数优化提供参考.      

探索发展激波风洞爆轰驱动技术

发现了燃烧驱动激波管中入射激波马赫数异常升高的起因. 实验显示爆轰驱动能力强于燃烧驱动, 从而推动爆轰驱动技术的发展. 采用卸爆管消除爆轰波反射高压以及双爆轰驱动段全部消除爆轰波后的Taylor稀疏波, 使反向和前向爆轰驱动模式具有实用价值. 反向爆轰驱动技术还成功用来延长激波风洞试验时间.      

Critical energy for direct initiation of detonation induced by laser ablation

This study describes experimental work examining the critical energy for direct initiation of detonation by laser ablation in a stoichiometric acetylene–oxygen mixture. The amount of input energy, the target material, and the surface roughness of the target were varied to study their effects on shock wave generation. Aluminum and stainless steel were used as target materials. The propagating shock wave induced by laser ablation was observed using high-speed shadow imaging. The critical energy for direct initiation of detonation was calculated using the strong blast wave theory. The critical input energy for aluminum was found to be lower than that for stainless steel. Because the thermodynamic critical temperature of aluminum is lower than that of stainless steel, aluminum caused a phase explosion more easily than stainless steel, thus resulting in direct initiation of detonation with a lower amount of input energy. The effects of surface roughness on critical input energy and shock wave generation were negligibly small. The critical initiation energy was estimated to be \(10.3 \pm 0.2\) mJ, which is in agreement with the experimental data obtained in previous work. The estimated critical initiation energy was independent of the target material. However, other predictions of the critical initiation energy by using the cell size overestimated this value because of the scatter in cell size data of an unstable cellular structure. Furthermore, interaction between plasma plumes formed by laser ablation and those formed by breakdown near the target surface might have contributed to requiring a lower amount of energy for initiating detonation.     

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术原理、装置及应用

利用脉冲大电流产生随时间平滑上升的磁压,实现对样品的准等熵平面压缩和超高速飞片发射,是近十年来发展和完善起来的一种新型的强动态斜波加载技术(ramp wave loading).本文简述了其原理、加载装置及数据处理方法等方面的研究进展,同时着重评述利用该技术和方法开展高压物态方程、材料动力学响应方面的研究进展,并对该技术在冲击动力学、天体物理和高能量密度物理等方面的应用前景进行了展望.      

Aerodynamic characteristics of solid particles�� acceleration by shock waves

In this study, the interaction of a planar shock wave with a group of particles has been investigated using high-speed photography and dynamic pressure measurements. Experiments were carried out in a horizontal circular shock tube. The influence of the particle loading ratio, particle diameter, driving gas and shock wave Mach number on the acceleration was studied. It was found that the higher the particle loading ratio, the greater was the particle velocity. This is due to the higher driving pressure. Helium and nitrogen gases play quite different roles in acceleration. Pressure multiplication during shock wave interaction with particles also appears. Based on the experimental results, the discussion regarding partial quantitative velocities and accelerations of particle groups, as well as the attenuation factors when shock waves pass through the particles, is given.     

燃气射流起始冲击波场形态的实验研究

介绍利用激光摩尔偏折仪和压阻式压力传感器对发动机喷流起始冲击波的基本形态进行的研究． 研究结果验证了在燃气流团前存在着起始冲击波及发展初期具有非球面的特性,并提出了喷口起始冲击波波阵面发展的新结构,对前人有关起始冲击波发展结构的研究结果进行了修正．     

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.     

SHOCK WAVE LOADING OF CONTACT SURFACE DETONATION MODE

基于叠加原理,利用炸药接触面起爆方式,实现对可压缩固体材料的矩形波加载. 通过联立爆炸产物和可压缩固体的（u,p）曲线以及综合考虑炸药与材料试件各自由边所受稀疏波干扰情况,从理论上给出冲击波平台压力和冲击波加载平台宽度的计算方法,为将来利用接触爆炸实现对材料试件的近似矩形波加载提供理论基础.