基于误差马尾图量化爆轰数值模拟结果的置信度

针对爆轰流体力学数值模拟过程中输入参数的不确定性, 通过抽样技术, 形成确定性爆轰流体力学程序的各种输入和数值求解, 建立输入参数与输出响应量的样本, 再通过概率框架下的误差累积分布函数与马尾图, 给出了爆轰数值模拟过程中输入参数不确定度对模拟结果影响的置信度量化方法。通过一维黎曼问题、平面爆轰问题计算了误差马尾图, 给出了二维爆轰拉氏自适应流体动力学LAD2D程序计算网格与模拟结果置信度的关系, 对多物理爆轰过程发展高置信度数值模拟软件有很好的借鉴作用。     

基于非嵌入多项式混沌的爆轰不确定度量化

固体炸药爆轰是极为复杂的极端物理和化学过程,发生在极小的时间尺度和极小的空间尺度内,产生极高的爆压和极快的爆速,给理论研究和实验带来巨大的挑战,数值模拟成为极为重要的研究手段。验证、确认和不确定度量化综合了实验和数值模拟的优点。针对圆筒试验问题,使用基于全张量积的多元非嵌入多项式混沌方法,给出了初始密度和JWL参数不确定时、圆筒位置和速度的期望、方差以及置信区间。结果发现试验数据均落在置信区间内。最后,使用信息熵方法给出实验不确定度量化,从而确认了模型的有效性。     

非嵌入式多项式混沌法在爆轰产物JWL参数评估中的应用

介绍了非嵌入多项式混沌法的数学模型,给出了非嵌入式多项式混沌法进行不确定度量化的主要步骤。采用此方法研究了平面、散心爆轰问题数值模拟中, JWL模型参数R₁、R₂服从均匀分布的随机变量时所引起的爆轰过程计算结果的不确度性,着重分析了爆轰传播过程中压力与密度的统计特性。研究结果表明,非嵌入式多项式混沌法可以为模型输入参数不确定性的传播对输出结果响应量的影响建立一种有效不确定度评估方法,为使用JWL模型时选取参数提供参考。     

基于多项式混沌方法对C-J爆轰参数不确定度的分析

Chapman-Jougeut理论是预测波后爆轰物理量状态的有力工具,但以往的研究未考虑模型中的不确定因素及其影响。事实上,不确定度会影响数值模拟的预测能力和可靠性。首先,通过剖析爆轰机理,深入挖掘爆轰建模与模拟中的不确定因素。假设PBX-9502的初始密度和爆速服从对数正态分布,结合真实的试验数据,通过参数估计和Anderson-Darling假设检验法标定初始密度和爆速的概率密度函数。Beta分布用以定量刻画没有物理意义的、唯象参数的不确定度,形状参数和支集源于工程经验。Rosenblatt变换将相关的、非Gauss随机变量转化成相互独立的标准正态分布。然后,使用非嵌入多项式混沌研究高维爆轰不确定度传播。具体而言,针对一元多项式混沌,正交多项式通过Gauss-Hilbert空间中的Gram-Schmidt方法导出,六点Gauss求积方法用以计算多项式混沌的系数。使用权重和Gauss求积点的全张量积计算多元多项式混沌。最后,通过多元多项式混沌得到感兴趣量的概率密度函数以及对应的期望、标准差和置信区间等Gauss统计量。研究结果表明：波后压力波动较大,置信区间较宽,与孙承纬的“爆轰压力...     

爆轰计算JWL状态方程参数的不确定度

针对爆轰计算JWL状态方程参数,开展不确定度量化研究。首先从JWL状态方程性质出发,结 合数学、物理分析确定JWL状态方程中主要参数R1 的概率分布范围,然后利用非嵌入多项式混沌展开方法 对PBX9404炸药驱动飞层外界面速度进行了不确定度量化分析。给出的分析方法与分析流程对爆轰计算及 其他工程数值模拟不确定度量化有一定参考作用。     

一种与爆轰参数封闭的JWL方程参数确定方法

利用数值模拟和理论计算分析了炸药JWL状态方程参数与爆轰参数封闭的重要性;获得了利用圆筒实验测试结果计算炸药爆轰产物绝热等熵指数和爆压的方法;建立了与爆轰参数封闭的JWL状态方程参数的确定方法,并依据公布的圆筒实验数据,应用于两种典型炸药JWL状态方程参数的确定,获得的参数与炸药爆轰参数严格封闭,数值模拟结果与实验结果一致性好,表明炸药JWL参数确定方法合理可靠。     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

爆轰产物压力势能缓释方法研究

为扩大脉冲爆轰技术的应用领域 ,抑制其振动、噪声等不利因素 ,提高能源转换效率的可能性 ,本文通过实验和数值计算 ,研究了单次爆轰产物通过孔盘将压力势能缓慢释放到相邻腔体的现象。实验在长 2m、内径 40mm的爆轰管中进行 ,数值模拟采用自适应的有限体积方法和有限速率化学反应模型。实验和数值模拟分析的结果均表明 ,在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘 ,可以使爆轰产物的压力势能逐渐地传递到腔体内 ,造成随时间逐渐上升的压力分布。     

RDX基PBX的做功能力及JWL状态方程参数确定

为研究RDX基PBX炸药的做功能力并确定其爆轰产物的JWL状态方程参数,对RDX基PBX炸药和TNT炸药进行?50 mm标准圆筒实验,获得了圆筒膨胀位移和速度的时程曲线,对比得出RDX基PBX炸药的做功能力明显高于TNT炸药;基于能量守恒对实验数据进行非线性拟合,得到2种炸药爆轰产物的JWL状态方程参数。TNT炸药的拟合参数和通过AUTODYN软件计算得到的结果符合较好;将采用上述方法得到的RDX基PBX炸药爆轰产物JWL状态方程参数用于数值模拟,计算结果与实验值吻合较好,符合数值模拟标定JWL状态方程参数的要求。     

数值模拟油井射孔器作用过程方法研究及应用

提高射孔器性能是射孔弹厂家面临的和油田用户关心的主要问题。油井聚能射孔器的作用过程涉及爆轰波的形成、传播、爆轰波与其他介质的相互作用等爆轰问题,射流的形成、延展等界面碰撞问题,射流对靶的侵彻、靶的成坑和动态响应等侵彻问题,作用过程复杂。为了研究油井聚能射孔器的作用过程和机理,降低设计成本,缩短研制周期,本文介绍了模拟石油射孔器从炸药起爆,射流形成,射流侵彻钢靶、井液、混凝土靶的整个作用过程的欧拉数值方法,包括数学模型、离散方法、相应的本构模型,以及为节省计算机时采用的计算和理论分析耦合的模拟方法,并将数值模拟结果与实验进行了比较。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果符合的较好,说明方法是有效的和可行的。     

正态相关变量主客观不确定性分离和参数影响分析

针对主观和客观不确定性同时存在且输入变量相关的结构系统,研究分析了分布参数的主观不确定性对系统输出响应的影响. 首先采用正交变换进行了相关输入变量情况下主、客观不确定性的分离,通过引入独立标准正态空间辅助变量,使得分布参数的主观不确定性能够从输入变量客观不确定性中分离,进而分析分布参数的主观不确定性对输出响应的主效应指标. 其次验证了分布参数对模型输出响应期望影响的一阶方差贡献与主、客观不确定性分离后其对响应量一阶方差贡献的相等关系. 算例结果表明了文中所用主、客观不确定性分离方法的合理性和有效性.      

AN SEPARATION OF THE ALEATORY AND EPISTEMIC UNCERTAINTIES WITH CORRELATED NORMAL VARIABLES AND ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF PARAMETERS

针对主观和客观不确定性同时存在且输入变量相关的结构系统,研究分析了分布参数的主观不确定性对系统输出响应的影响. 首先采用正交变换进行了相关输入变量情况下主、客观不确定性的分离,通过引入独立标准正态空间辅助变量,使得分布参数的主观不确定性能够从输入变量客观不确定性中分离,进而分析分布参数的主观不确定性对输出响应的主效应指标. 其次验证了分布参数对模型输出响应期望影响的一阶方差贡献与主、客观不确定性分离后其对响应量一阶方差贡献的相等关系. 算例结果表明了文中所用主、客观不确定性分离方法的合理性和有效性.     

基于Nataf变换的层递响应面法分析结构可靠度

针对现有的随机响应面法(SRSM)和层递响应面法(CRSM)存在的局限性,本文结合预处理随机Krylov子空间法,建立了基于Nataf变换的向量型层递响应面法,并应用于含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析。首先,利用预处理随机Krylov子空间的层递基向量近似展开结构的总体节点位移向量,建立向量型层递响应面;然后,根据Nataf变换建立非高斯型互相关随机变量与独立标准正态随机变量之间的关系式,将独立标准正态空间内由Hermite多项式的根组合形成的概率配点变换成非高斯空间内的概率配点,并通过回归分析确定层递响应面的待定系数。计算结果表明,本文建立的CRSM属于向量型响应面法,能较好地处理含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析问题,计算精度和效率均较高,且具有良好的全域性。     

斜爆轰的多波结构及其稳定性研究进展

斜爆轰是气相爆轰物理的一个重要研究方向,在航空航天新型动力领域有重要的潜在应用价值.作为激波诱导的高速燃烧, 斜爆轰波可以简化为包含能量添加的间断面.然而, 斜爆轰流动中往往涉及激波、湍流等多种的流体力学现象,它们和燃烧放热耦合在一起, 导致流动和燃烧机理非常复杂. 一方面,斜爆轰波具有的多尺度和非线性的特征, 理论研究难以深入; 另一方面,爆轰波流场高温、高压、高速的特点, 又给实验研究带来了很大的困难.过去20年, 主要借助数值方法,研究者对斜爆轰波开展了系统的模拟和分析,在诸多方面取得了明显的进展.本文首先介绍了理想情况下的起爆区波系结构和波面稳定性研究进展;其次着眼于推进系统的问题,关注了非均匀来流效应以及斜爆轰波与稀疏波的作用;最后对未来的研究工作提出一些建议.      

非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法

结合鞍点概率分布估计和传统线抽样方法的优点,提出了非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法。传统的线抽样方法对非正态变量问题进行可靠性分析时需将非正态变量等价转换为标准正态变量,非正态变量向标准正态变量的非线性转换将增加响应功能函数的非线性程度,进而加大了转换后响应函数失效概率估计的难度。所提鞍点线抽样方法则无需将非正态变量转化为标准正态变量,它利用鞍点概率分布估计方法可以直接估计非正态变量空间中线性响应函数概率分布的特点,并利用线抽样方法可以将非线性功能函数的失效概率转化为一系列线性功能函数失效概率平均值进行估计的优点,实现了非正态变量空间非线性功能函数失效概率的高精度估计。鞍点线抽样方法使用前需将变量进行标准化变换,这种变换是线性的,通过对变量的标准化变换可以消除变量的量纲,从而使得标准化变量空间概率分布更具规律性。理论推导可以证明：鞍点线抽样方法在基本变量服从正态分布时将退化为传统的线抽样方法。算例验证结果表明：针对非线性功能函数的可靠性问题,鞍点线抽样方法比传统的直接鞍点估计具有更高的精度。     

Effect of initial disturbance on the detonation front structure of a narrow duct

The effect of an initial disturbance on the detonation front structure in a narrow duct is studied by three-dimensional numerical simulation. The numerical method used includes a high-resolution fifth-order weighted essentially non-oscillatory scheme for spatial discretization, coupled with a third-order total variation diminishing Runge-Kutta time-stepping method. Two types of disturbances are used for the initial perturbation. One is a random disturbance which is imposed on the whole area of the detonation front, and the other is a symmetrical disturbance imposed within a band along the diagonal direction on the front. The results show that the two types of disturbances lead to different processes. For the random disturbance, the detonation front evolves into a stable spinning detonation. For the symmetrical diagonal disturbance, the detonation front displays a diagonal pattern at an early stage, but this pattern is unstable. It breaks down after a short while and it finally evolves into a spinning detonation. The spinning detonation structure ultimately formed due to the two types of disturbances is the same. This means that spinning detonation is the most stable mode for the simulated narrow duct. Therefore, in a narrow duct, triggering a spinning detonation can be an effective way to produce a stable detonation as well as to speed up the deflagration to detonation transition process.     

P-CS不确定性量化模型与其性能数据驱动更新方法

在实际工程中, 广泛存在大量的不确定性信息, 直接或间接影响着工程结构形式设计、结构性能评估与预测以及在役结构损伤识别等工作的开展与决策. 这些多源不确定性信息往往需要用多种不同的不确定性量化模型加以描述; 与此同时, 不确定性变量在使用过程中可能随时间变化且难以直接测量, 需要间接根据性能测试信息在使用工程中更新不确定性量化模型. 为兼顾上述两个问题, 本文基于等概率变换原则提出了一种P-CS (probability-convex set) 不确定性量化模型, 该模型将不确定性变量用概率随机变量与非概率凸集变量组合表征, 可统一表达概率模型、非概率模型以及非精确概率模型, 实现多源、多类型不确定性的统一量化. 本文进一步基于贝叶斯理论提出了一种针对该P-CS不确定性量化模型的性能数据驱动更新方法. 该更新方法根据性能测试数据信息更新P-CS不确定性量化模型参数取值的信度分布, 从而根据后验信度分布计算得出当前P-CS不确定性量化模型参数集合. 通过数值算例详述了P-CS不确定性量化模型的构建方法与其概率、非概率特性, 并验证了性能数据驱动更新P-CS模型方法的适用性.      

2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。