FOI-PERFECT程序对电磁驱动高能量密度系统的三维弛豫磁流体力学模拟

提出一个完整的弛豫磁流体力学模型用于电磁驱动高能量密度系统的数值模拟, 它由弛豫电磁波动、弛豫热输运、P1/3近似辐射输运以及流体力学构成。电磁部分在真空区退化为电磁传播, 在等离子体物质区退化为磁扩散近似, 并且相速和群速是有上界的。这意味着弛豫磁流体力学能退化到传统的电阻性磁流体力学, 并且能用显式方法数值求解, 便于大规模高效并行化。基于此弛豫磁流体力学模型开发了三维辐射磁流体力学程序FOI-PERFECT, 指出了所采用的关键数值技术, 并给出了一些应用例子。     

用于电磁驱动真空-等离子体系统数值模拟的弛豫磁流体力学模型

提出了一个弛豫磁流体力学模型,特别适合电磁驱动真空-等离子体系统的数值模拟。该模型和Seyler采用的弛豫模型有相似之处,即采用全电磁模型,不同的是采用忽略电子惯性项的广义欧姆定律直接作为本构来封闭麦克斯韦方程,减少了独立变量,是适合此类问题的最简模型。分析了磁流体力学模型电磁部分的色散关系,从而论证了其在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的。改进了Seyler采用的时间离散方式,从而将时间精度从1阶提高到3阶,时间步长不受刚性源项约束,只受系统最大的特征速度确定的柯朗-弗里德里奇-列维(CFL)条件约束,便于显式计算和大规模并行化。     

用于电磁驱动真空-等离子体系统数值模拟的弛豫磁流体力学模型

提出了一个弛豫磁流体力学模型,特别适合电磁驱动真空-等离子体系统的数值模拟。该模型和Seyler采用的弛豫模型有相似之处,即采用全电磁模型,不同的是采用忽略电子惯性项的广义欧姆定律直接作为本构来封闭麦克斯韦方程,减少了独立变量,是适合此类问题的最简模型。分析了磁流体力学模型电磁部分的色散关系,从而论证了其在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的。改进了Seyler采用的时间离散方式,从而将时间精度从1阶提高到3阶,时间步长不受刚性源项约束,只受系统最大的特征速度确定的柯朗-弗里德里奇-列维(CFL)条件约束,便于显式计算和大规模并行化。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

FP-1装置铝套筒内爆动力学过程的一维磁流体力学模拟

作为一种重要的柱面会聚冲击和准等熵压缩加载源,磁驱动固体套筒内爆技术已广泛应用于高能量密度物理实验研究.针对FP-1装置驱动的固体套筒内爆动力学过程,建立了含强度的一维磁流体力学模型,并对典型实验进行了模拟.计算获得的套筒内爆速度同实验结果较为相符.模拟结果显示,该装置在40 kV充压条件下,可以将直径3 cm,厚0.5 mm的铝套筒加速至1.1 km/s,内壁速度超过1.5 km/s,同时保持大部分材料为固体状态.内爆套筒与相同材料靶筒碰撞产生的冲击压力约9 GPa.改变靶筒内部填充气体的压力,可以获得不同的靶筒运动速度、轨迹以及反弹半径,以满足不同类型实验的研究需要.     

二维弹塑性磁流体力学数值模拟

为了研究物质弹塑性对磁驱动实验运动过程、不稳定性发展等的影响,在MDSC2程序的基础上,增加了弹塑性模块,研制了包括弹塑性的磁流体力学程序,并进行了弹塑性项影响的数值模拟和分析。数值模拟表明：没有初始扰动时,弹塑性项几乎不影响套筒内外半径的运动轨迹;有初始扰动时,弹塑性项对磁驱动固体套筒的Rayleigh-Tayor不稳定性有明显的抑制作用。     

磁驱动飞片的三维数值模拟及分析

磁驱动准等熵加载和超高速飞片发射是一种全新的冲击动力学和高能量密度物理实验加载技术。利用三维磁流体动力学软件,模拟了磁驱动飞片的物理过程,计算得到的飞片自由面速度与实验结果符合较好。通过计算飞片横断面的温度、密度和磁场分布,得到了加载过程中磁扩散速度和飞片的剩余厚度。飞片加载过程中飞片边缘的卷曲变形严重,分析认为是由电流和磁场分布的不均匀导致飞片边侧受斜上方较大的加载力所致,并且电流分布的不均匀是主要因素。实验设计时,可利用极板构型的变化调节加载面的电流分布,从而提高飞片的平面性,减小边侧的卷曲变形。     

带窗口磁驱动准等熵压缩实验模拟

在二维磁驱动数值模拟程序MDSC2中增加了LiF材料的材料参数和功能模块,使MDSC2程序具有了求解带窗口磁驱动准等熵压缩实验的能力。采用MDSC2程序,对大电流脉冲功率装置上的exp-3-window、exp-6-window带窗口磁驱动准等熵压缩实验进行了模拟。数值模拟结果表明,二维磁驱动数值模拟程序MDSC2能正确模拟带窗口磁驱动准等熵压缩实验exp-3-window和exp-6-window的全过程,模拟的飞片/窗口界面速度在飞片/窗口界面速度的上升阶段、峰值附近和卸载阶段与实验测量基本一致,验证了新程序的计算有效性。MDSC2程序对带窗口磁驱动准等熵压缩实验的正确模拟有助于磁驱动样品物性实验的研究。     

X箍缩三维数值模拟

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。     

X箍缩三维数值模拟

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。     

AO3D: A Monte Carlo code for modeling of environmental light propagation

A Monte Carlo radiative transfer program (Atmosphere-Ocean 3-Dimensional, AO3D) for modeling the coupled atmosphere-ocean environment has been developed. The code allows for the specification of optical properties for the atmosphere, land and ocean. Light rays are tracked as they pass between the atmosphere and the ocean, reflect off the ocean surface, the ocean floor, and off land, or are absorbed. In this version the polarization of light rays is not considered. The optical properties of each horizontally homogeneous layer within the atmosphere and ocean can be set on a layer-by-layer basis with a choice of phase functions, absorption and scattering coefficients, and index of refraction. A wind-dependent Cox and Munk ocean surface realization (with whitecaps) is implemented to model refraction and reflection from surface waves. Either spherical- or flat-Earth models can be used, and all refraction and reflection are accounted for. The AO3D model has been tested by parts, and as a whole by comparison with single- and total-scattering calculations from other radiative transfer codes. Comparisons with Monte Carlo calculations by Adams and Kattawar (agreement in TOA radiance within the published precision ∼2%), MODTRAN4 (agreement in spherical-shell atmosphere (SSA) sky radiance within about 2%) and Coupled DIScrete Ordinate Radiative Transfer (COART) (agreement in plane-parallel (PP) sky radiance within 2%) are shown. Sun photometer measurements (including large air mass values) at the Mauna Loa Observatory are compared to AO3D simulations (for a spherical Earth) and suggest that a thin aerosol layer was present above the observatory at the time of the measurements.     

电磁驱动超高速机械快门性能分析

高温高密度等离子体辐射源产生脉冲X射线的同时还产生等离子体碎片,飞散速度分布在0.1~10km/s。研制电磁驱动超高速机械快门,有效通光孔径为40mm×50mm,利用45mm×60mm×100μm的铝膜作为快门叶片,在放电电压20kV、驱动电流80kA、放电周期18μs条件下,获得的快门关门时间小于180μs。将快门放置在距离等离子体X射线源2m处,X射线通过后在180μs时间内关闭光学通道,以阻挡高温高密度等离子体产生的碎片,保护X射线精密探测系统和样品,同时实现等离子体参数的精密测量。     

电磁驱动超高速机械快门性能分析

高温高密度等离子体辐射源产生脉冲X射线的同时还产生等离子体碎片,飞散速度分布在0.1~10 km/s。研制电磁驱动超高速机械快门,有效通光孔径为40 mm50 mm,利用45 mm60 mm100 m的铝膜作为快门叶片,在放电电压20 kV、驱动电流80 kA、放电周期18 s条件下,获得的快门关门时间小于180 s。将快门放置在距离等离子体X射线源2 m处,X射线通过后在180 s时间内关闭光学通道,以阻挡高温高密度等离子体产生的碎片,保护X射线精密探测系统和样品,同时实现等离子体参数的精密测量。     

电磁驱动的固定弦振动的理论分析

对电磁驱动的弦线波动方程进行分析,得到了严格的理论解。很好地解释了实际中出现的几个现象,并且讨论了驻波振幅与磁场和讯号源的依赖关系。结果表明：驻波振劝的振幅与讯号源的电压或电流正比,与磁场的关系依赖于电磁阴尼和空气阻尼的相对大小。     

用于电磁驱动实验装置CQ-7的多间隙气体开关

基于电磁驱动实验装置CQ-7研制需求,设计了一套6间隙气体开关,开关高131 mm,直径108 mm,总间隙36 mm,开关电感约40 nH。采用模拟软件Ansoft Maxwell计算分析开关电场强度分布,电场分布较均匀,不均匀系数为1.14。开展了开关放电特性研究,充电100 kV条件下,开关放电电流峰值可达70 kA,放电延时约35 ns,抖动3 ns。根据开关自击穿电压值,采用正态分析开关自击穿概率,开关80%安全系数下,自放电概率小于10-4。该开关满足CQ-7实验装置研制需求。     

3D space charge code with the FFT method

Precise and fast 3D space-charge calculations have become important for high intensity hadron accelerator design. The PIC method is most frequently used due to its efficiency. This paper introduces a 3D-PIC code that computes the potential of the bunch in the rest frame by means of Poisson’s equation. FFT is applied as Poisson solvers. The details and the results are presented as well as error analysis.