柱形爆电换能器的理论研究

本文根据冲击波加载铁电陶瓷的换能原理,建立了斜冲击波加载PZT柱形组件的电响应珲论模型。所考虑的换能装置特点是:(1)柱形组件由n块PZT空心圆盘并联堆叠而成:(2)PZT样品在冲击波压缩区具有恒定电导率r:(3)外电路由串联的电感L和电阻R以及并联电容C_p组成。数值计算结果表明,这种柱形爆电换能器用来提供大电流,大能量(如2000A、100J)是适宜的。     

基于WENO重构的真正多维黎曼求解器

具有良好守恒性与网格适应性的有限体积格式在流体力学的数值计算中占有重要地位。其中，求解数值流通量是实施有限体积法的关键步骤。一维情形下，通过求解局部黎曼问题来获得数值流通量的相关理论已经比较成熟。但是在计算多维问题时，传统的维度分裂方法仅考虑沿界面法向传播的信息，这不仅影响格式的精度，还可能会造成数值不稳定性从而诱发非物理现象。本文基于对流-压力通量分裂方法来构造真正多维的黎曼求解器，通过求解网格顶点处的多维黎曼问题来实现格式的多维特性。采用五阶WENO重构方法来获得空间的高阶精度，时间离散采用三阶TVD龙格-库塔格式。一系列数值实验的结果表明，真正多维的黎曼求解器不仅具有更高的分辨率还能有效克服多维强激波模拟中的数值不稳定性。     

平面强爆炸波的正反射(高精确度的分析解)

文中给出了不定常平面强爆炸波对固壁正反射问题的一组解析解,具有高的精确度。用文中解析解的数值结果和七种数值计算方法的结果进行了比较,以考验这些方法的特点和缺陷。对某些方法提出了改进的意见。     

固定网格下的特征线法求解溃坝问题

溃坝问题是典型的非线性双曲方程的Riemann问题,其数值求解的难点在于对间断面的捕捉以及避免间断面处在数值计算过程中产生数值色散,因而为求解此问题所产生的各种数值计算方法的优劣也体现在这两个方面。本文针对溃坝问题提出一种新的计算方法。该方法基于对偶变量推导的浅水波方程,根据方程的特点,从方程的特征值和黎曼不变量出发,采用高精度的激波捕捉方法计算黎曼不变量的位置随时间的变化,然后映射至不随时间变化的固定网格。根据黎曼不变量的位置,采用保形分段三次Hermite插值将物理量映射至网格节点。计算结果显示,该方法不仅操作简单,计算量小,而且结果准确。     

固定网格下的特征线法求解溃坝问题

溃坝问题是典型的非线性双曲方程的Riemann问题,其数值求解的难点在于对间断面的捕捉以及避免间断面处在数值计算过程中产生数值色散,因而为求解此问题所产生的各种数值计算方法的优劣也体现在这两个方面。本文针对溃坝问题提出一种新的计算方法。该方法基于对偶变量推导的浅水波方程,根据方程的特点,从方程的特征值和黎曼不变量出发,采用高精度的激波捕捉方法计算黎曼不变量的位置随时间的变化,然后映射至不随时间变化的固定网格。根据黎曼不变量的位置,采用保形分段三次Hermite插值将物理量映射至网格节点。计算结果显示,该方法不仅操作简单,计算量小,而且结果准确。     

分数算子描述的黏弹性体力学问题数值方法

讨论由黎曼-刘维尔 (Riemann-Liouville)分数导数描述的黏弹性体力学问题的数 值方法. 该方法利用黎曼-刘维尔分数 导数定义中核函数的特性，并结合被积函数在单步中的逼近以及Newmark型数值法，建立 了分数导数计算公式. 算例表明，该算法具有收敛快、精度高、稳定性好和易于 应用和改进的优点. 在对动态系统的瞬态响应分析和有限元分析格式中，算法都获得了 满意的结果.     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。     

惰性介质对钝感炸药爆轰的约束效应

首先用改进冲击波极曲线理论分析惰性介质对钝感炸药爆轰的约束作用类型。改进冲击波极曲线基于爆轰ZND模型建立在前导冲击波上,并且未反应炸药采用JWL状态方程,惰性介质采用p（ρ,T）形式状态方程。理论考察声速小于炸药CJ爆速且压缩性不同的6种典型惰性介质约束情况。然后用带三项式Lee-Tarver化学反应率的二维Lagrange流体力学方法数值模拟考察约束相互作用。数值考察约束介质的影响因素有:压缩性、厚度、典型双层介质组合约束。从数值结果看出,由介质压缩性的不同给出的约束作用方式共7种:其中6种出现在介质声速小于炸药CJ爆速条件下,可运用冲击波极曲线理论;另外一种出现在介质声速大于炸药CJ爆速条件下,不能使用冲击波极曲线理论。同时,介质厚度、双层介质组合方式也能够影响爆轰前导冲击波阵面形状以及爆轰化学反应流动状态。     

爆轰传播理论的解析研究方法(四)

Whitham方法 冲击波的传播是气体动力学的基本问题之一。从原理上看,强间断形式的冲击波和双曲型流动方程组是相容的,冲击波的传播可以由波前和波后区域中符合波阵面Rankine-Hugoniot条件的耦合流动解决定,实际上这种流场和未知边界(即冲击波阵面)相耦合的数学问题很难求解,只能借助于近似方法,五十年代末,Whitham根据运动学近似的考虑,改进了Chester和Chisnell先后提出和发展的方法,给出了变截面一维流管中冲击波传播的理论,被称为CCW近似。     

水中爆炸冲击波作用下混凝土墩动态响应初步分析

用水下爆炸冲击分析（ＵＳＡ）方法,在假设条件下,数值模拟了混凝土结构物水中爆炸冲击波作用下的加速度及压力响应,是对浅层水中爆炸流－固耦合动力学问题数值解的初步尝试。     

激光产生高压问题的二维数值模拟研究

在研究激光与靶物质相互作用以及激光驱动的效应中,许多问题具有二维性质。这种二维问题,目前都是用计算机来模拟研究的。本工作在[1]的基础上通过数值模拟,考虑了平面靶中激光驱动冲击波传播和平面性的二维问题。计算表明,对于高斯激光束,冲击波阵面为一曲面,波阵面上不同径向位置的压强是不同的。光束中心压强约为光斑边缘处压强的1.7倍。冲击波速度也有个径向分布,由中心向外逐渐下降。共计算了两个典型模型,其中一个与实验结果进行了比较,两者符合较好。     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

晶体在冲击作用下产生的相干THz波辐射理论模型与数值模拟

建立宏观电动力学模型,理论预测冲击作用下极性晶体中偶极振荡产生的THz波段的电磁辐射,分析这种电磁辐射的相干性,它预示着一种新型的相干THz波辐射源。通过傅立叶分析和相位叠加方法,数值模拟冲击波在离子晶体中传播时诱导的相干THz波辐射,结果发现,10THz左右的电磁辐射相干长度接近mm量级,若增加晶体沿冲击波方向的尺度,预计相干长度会进一步增长,并且辐射频率的分布具有周期性。分析冲击脉冲形状、晶体横向和纵向周期性对辐射谱的影响。通过数值模拟结果发现,晶格沿冲击波传播方向的周期性是冲击晶体辐射THz波具有相干性最本质的原因,用这种相干THz波辐射谱可以分析冲击作用下物质在原子尺度上的物理特性。     

哑铃式聚合物分子模型流变学数值研究

本文介绍了求解哑铃式分子模型位形空间分布函数扩散方程的数值方法,以及用这种方法计算的若干分子模型的流变性质。在通常情况下,将这一方法与求解流动守恒方程的边界元法相结合,便有可能用一个得不到本构方程的分子模型去代替连续介质力学本构方程,来模拟聚合物流体的复杂流动。本文还讨论了这一方法某些令人感兴趣的特点。      

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

FAE云雾爆轰冲击波压力测试技术研究

对数年来FAE外场试验中冲击波压力测量方法和测量技术进行了分析总结 ,着重分析了爆轰理论模型的具体应用和不规则反射对冲击波测量的影响 ,提出了传感器装置安装的有效改进方法并在试验中得到了验证 ,提高了系统测量精度。     

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。