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。     

超高速发射实验及其数值分析

采用多介质流体高精度欧拉并行计算程序HVL-MFPPM,对Sandia实验室和中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的两个超高速发射实验装置进行数值模拟,前者给出的二级飞片前界面速度历史与VISAR实验测试和HVL-CTH程序计算结果一致,后者给出二级飞片稳定时的速度和飞行姿态与实验测试结果吻合,同时还给出了128个和216个CPU计算的界面形状.为进一步获得更高二级飞片速度的实验装置设计提供了理论和数值分析基础.     

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。     

飞片在平面爆轰加载下的运动规律研究

采用多点激光测速系统（VISAR）和卷筒式电探针等测试技术，对钢，铝飞片在平面爆轰加载下的运动规律进行研究，给出了飞片在空腔中的位置h与时间t的关系曲线及飞片自由面速度v与时间t的关系曲线。还给出了采用流体力学的有限差分SSS计算程序算出的飞片自由面速度值，并与VISAR实测值进行了比较。     

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。     

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。     

甲烷气体的一维冲击反应动力学数值模拟

在一维无粘流体反应动力学理论基础上,分别选用无化学反应,7组元17反应和13组元和40反应模型模拟了常温下压力为0．12MPa时甲烷气体受高速飞片撞击的冲击反应流动,给出了飞片速度为3－9km/s范围内共27个算例的数值结果。在相同的初始条件下,当飞片速度较低（如3km/s)时三种反应模型给出几乎相同的结果,计算与实验结果比较表明,在较高的飞片速度下,13组元40反应模型给出的数值结果与实验结果基本一致。     

电炮驱动薄膜飞片的运动速度

用双灵敏度激光干涉测速技术测量了充电电压为18 kV的电炮加载下薄膜飞片自由面的速度历史。介绍了相关的实验装置及测量方法,给出了实验结果,并讨论了影响测速的一些关键技术。整个测速过程约为1.6 s,最终速度为6.7 km/s。     

Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验的计算分析

采用弹塑性流体动力学计算方法对Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验进行计算设计,考虑到飞片材料制备中单层厚度值和Mg-W最大阻抗混合质量百分数的致密条件限制, 提供12层Mg-W体系飞片的制备参数. 采用研制的梯度飞片在气炮上进行冲击加载-准等熵加载实验, 给出了飞片和LiF窗口界面处速度剖面的VISAR或DISAR实验测试结果, 并通过数值计算对实验数据进行对比, 对出现的异常现象进行了分析和实验验证, 提出以Mg-Cu为飞片材料体系的建议, 为后续深入开展可控加卸载路经和可控加卸载速率的实验研究奠定了基础.      

多级炸药爆轰高速驱动技术的Gurney模型优化分析

利用多级炸药 飞片装置可得到速度在10km/s以上、直径数厘米的末级平面飞片,在高压物态方程和高速碰撞等实验研究中有重要应用前景。改进了爆炸驱动的Gurney模型,推广用于典型的二级爆轰驱动(前级飞片 炸药层 后级飞片)装置的分析,得到前、后级飞片终速度的计算公式,与实验结果符合较好。根据对炸药层厚度优化计算结果的讨论可知,对于综合利用前级飞片动能和炸药层能量最有利的后级飞片速度处于2～3倍Gurney速度的范围。前级飞片速度很高时,后级飞片速度趋于两者直接弹性碰撞的结果。     

Flyer-plate loading of circular rings

Circular, aluminum rings were subjected to radial impulsive loading by curved magnetically driven aluminum flyer plates. The pressure magnitude varied cosinusoidally and acted over half the ring circumference. The pulse duration for the 12-mil-thick aluminum flyer plates used is less than 0.2 μsec. Strain-time histories at several locations in the ring were recorded on oscilloscopes and are shown to compare favorably with a previously published theoretical analysis.     

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。     

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0（无预应变）、25110-6、1 10810-6、1 88610-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力（变）明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。     

大幅板爆炸焊接界面质量的板幅尺寸效应研究

摘要：由于爆炸焊接工艺过程的特殊性,大幅板爆炸焊接中存在的结合面焊接缺陷问题产生的原因一直未能得到明确揭示,本文利用非线性动力数值模拟,考察了3.5m~7.0m钛钢大幅板爆炸焊接质量问题产生的原因,发现大幅板爆炸焊接过程中复板存在褶皱变形现象,指出褶皱变形的出现与所用板幅尺寸比例密切相关,随着板幅尺寸比例的变化,褶皱变形持续时间、影响范围置以及最大褶皱深度存在规律性变化。     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

Heat transfer,development length,and friction factor correlations for the asymptotic region of a laminar arc constrictor

A rigorous equilibrium model is formulated for the laminar flow of plasma through the heating region of a constricted arc plasma generator. The resulting equations are solved for an argon gas using an implicit finite-difference scheme, and the wall shear stress and heat transfer are computed from momentum and energy balances for a wide range of flow rates and arc currents. Friction factors based on this method are in agreement with empirical values to within approximately 10 per cent, and heat transfer calculations agree with the orders of magnitude predicted by a simplified arc model. A dimensionless number peculiar to the constricted arc, the so-called Ohmic heating parameter, is used to correlate the mean Nusselt numbers in the asymptotic arc regime. When the fluid properties are based on the mean temperature, the product of friction factor and Reynolds number is found to be a constant for currents below 200 Amp and to vary with the Ohmic heating parameter for larger currents. Correlations are also presented for the thermal development length, and the agreement with experiment is good.     

爆炸焊接复合界面波与温度场物质点法分析

爆炸焊接是一门双金属复合工程技术,在炸药爆轰载荷驱动下,飞板高速冲击基板时,两金属板复合界面处在高温高压作用下材料发生塑性流动并形成周期性波状界面,波状界面的形成与复合界面处的材料熔化和变形直接相关。本文应用物质点法对爆炸焊接界面波的形成和界面温度场进行数值模拟,同时开展双金属爆炸焊接实验,并结合物质点法的三维数值模拟对爆炸焊接界面波的形态和界面材料高温软化进行分析。     

Viscous and Ohmic heating effects in doubly stratified free convective flow over vertical plate with radiation and chemical reaction

An analysis is carried out to study the combined effects of viscous and Ohmic heating in the transient, free convective flow of a viscous, incompressible, and doubly stratified fluid past an isothermal vertical plate with radiation and chemical reactions. The governing boundary layer equations are solved numerically by an implicit finite difference scheme of the Crank-Nicolson type. The influence of different parameters on the velocity, the temperature, the concentration, the skin friction, the Nusselt number, and the Sherwood number is discussed with graphical illustrations. It is observed that an increase in either the thermal stratification or the mass stratification parameter decreases the velocity. An increase in the thermal stratification increases the concentration and decreases the temperature while an opposite effect is observed for an increase in the mass stratification. An augmentation in viscous and Ohmic heating increases the velocity and temperature while decreases the concentration. The results are found to be in good agreement with the existing solutions in literature.