基于PPM的界面压缩方法研究

高精度多组分分段抛物线法(Piecewise Parabolic Method,PPM)在对可压缩多相流问题进行模拟计算时,在不同组分交界面上存在界面扩散。为此,通过引入包含界面压缩和密度修正的人工界面压缩方法,抑制界面扩散现象。采用一个界面函数表示运动的物质界面,在多组分质量守恒方程和输运方程中添加考虑人工压缩和人工黏性的压缩源项,并在伪时间内采用二阶中心差分法和两步Runge-Kutta方法进行离散求解,采用Strang型分裂格式实现了整体算法的时间二阶精度。一维与二维数值模拟试验表明,结合人工界面压缩之后的PPM能有效抑制界面上数值扩散问题,在长时间的数值模拟中,人工界面压缩能够将扩散界面厚度维持在一定网格之内且保持界面形状不改变,尤其对于涉及稀疏波的问题,如激波引起的水中气泡坍塌,界面压缩效果更为显著。     

“反尖端”界面不稳定性数值计算分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对"反尖端"界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。"反尖端"界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。     

金属锡Rayleigh-Taylor不稳定性对模型参数敏感性的数值分析

利用自研的爆轰与冲击动力学欧拉计算程序和Steinberg-Guinan(SG)本构模型,数值模拟分析了样品初始参数(初始振幅、初始波长、样品初始厚度)和SG本构模型初始参数对爆轰驱动锡Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性增长的影响。结果表明金属锡样品的初始参数对其RT不稳定性增长有很大的影响。RT不稳定性增长随着初始振幅的减小而减小,且存在一个截止初始振幅;存在一个最不稳定的模态(波长),当初始波长大于该波长时,RT不稳定性增长随着初始波长的减小而增大,反之,RT不稳定性增长随着初始波长的减小而减小;样品厚度的增大可以抑制RT不稳定性增长,而且存在一个样品截止厚度。金属锡的RT不稳定性增长对其SG本构模型应变硬化系数和应变硬化指数的变化不敏感,而对压力硬化系数和热软化系数比较敏感。从采用扰动增长法预估材料强度的角度来说,修正压力硬化系数以获得锡合理的材料强度是合理的途径。     

超高速撞击下碎片云的OTM分析

空间碎片超高速撞击是典型的高温、高压、高应变率的极限力学问题，涉及材料复杂的动态响应，对传统的数值方法提出了巨大挑战。最优运输无网格（OTM）方法通过有机结合最优运输时间积分理论、局部最大熵无网格近似、物质点抽样、基于物理的裂纹扩展算法以及大规模并行计算策略，克服了传统数值方法瓶颈，在理论上保证了不同形式能量耗散的自主耦合分配，为超高速撞击仿真预测提供了高效的解决方案。采用基于OTM方法自主研发的极限力学仿真软件ESCAAS，对不同质量（3、10 g）的铜飞片以不同撞击角度（5.4°、11.7°）和不同撞击速度（5.55、5.12 km/s）撞击铝合金靶板的过程进行数值模拟，获得碎片云的形貌、靶板穿孔孔径等结果，与实验测量数据吻合良好，显示出OTM方法及ESCAAS软件可以作为超高速撞击的有力数值分析手段。     

柱形汇聚几何中内爆驱动金属界面不稳定性

采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序，对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为，进行了数值模拟研究。结果表明，首次冲击后至约12 μs，界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主；12 μs后至冲击波聚心反弹加载前，界面聚心运动处于加速减速状态，界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导；冲击波聚心反弹加载后，界面发展又由RM不稳定性主导。另外，还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示:初始振幅较大时振幅增长也较大；初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小，而且存在一个截止波长；钢壳厚度会抑制扰动增长，也存在一个截止厚度；几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。     

铝弹丸超高速撞击防护结构的研究进展

以空间碎片防护为背景,回顾了超高速铝弹丸正撞击单层和双层铝合金防护结构的研究进展,讨论了目前针对超高速撞击的弹丸发射技术和数值模拟方法(如Euler方法、无网格方法等)的优缺点。数值模拟不仅建立在离散方法上,还需要提供准确的材料本构模型和状态方程。介绍了常用材料模型(包括Johnson-Cook、Steinberg-Guinan模型)和状态方程(包括Tillotson、ANEOS、SESAME、GRAY三相状态方程)。基于实验和数值模拟,目前对7 km/s以下的超高速撞击物理过程已经认识得比较清楚。对单层板,重点讨论了板的穿孔特征和孔径模型;对双层板,除了前板的穿孔外,还讨论了碎片云的分布特征、材料相变、碎片云的相态分布、弹丸形状的影响、碎片云的散布模型以及碎片云对后板造成的破坏特征。最后介绍了工程防护中较为重要的防护结构的弹道极限方程。单层板和双层板的弹道极限方程研究近年来取得了较大进展。本文回顾了国内外常用的弹道极限方程以及近年来新提出的理论模型和基于人工神经网络的模型等。