激光靶耦合问题的二阶精度重映算法研究

 任意拉格朗日欧拉方法被认为是解决2维流体力学大变形数值模拟的有效途径之一。以激光黑腔靶耦合问题为背景,结合质量流的物理意义,提出了一种二阶守恒物理量重映的算法,并利用1维激光靶耦合程序对方法及其可行性进行了考察,结合物理问题调整网格,用较少的网格得到了与较多网格拉氏计算同样的结果。为算法在2维LARED-H程序中的应用奠定了基础。     

激光靶耦合问题的二阶精度重映算法研究

任意拉格朗日欧拉方法被认为是解决2维流体力学大变形数值模拟的有效途径之一。以激光黑腔靶耦合问题为背景,结合质量流的物理意义,提出了一种二阶守恒物理量重映的算法,并利用1维激光靶耦合程序对方法及其可行性进行了考察,结合物理问题调整网格,用较少的网格得到了与较多网格拉氏计算同样的结果。为算法在2维LARED-H程序中的应用奠定了基础。     

LARED-H程序的激光黑腔靶耦合数值模拟

LARED-H程序是一个可用于激光黑腔靶耦合数值模拟研究的二维辐射流体力学程序。黑腔等离子体所形成的复杂流场使单纯的拉格朗日网格在计算中产生严重扭曲，影响计算精度，并导致计算中断。拉氏加网格重分是计算激光黑腔靶耦合常用的算法。对LARED-H程序的积分网格重分方法在网格重构和物理量重映方面作了较大改进，并利用改进后的LARED-H程序模拟了“神光”-Ⅱ和“神光”-Ⅲ条件下的激光空腔靶耦合物理全过程。     

FCT技术在ALE方法中的初步应用

ALE方法在一定程度上克服了纯Lagrange和纯Euler方法的缺点，成为计算大变形问题比较有效的方法。在模拟流固耦合、ICF和磁流体动力学等方面有广泛的应用。对于ALE方法来说，计算网格间物理量的输运（或物理量的重映）是十分关键的。在计算网格间的输运时，用二阶精度的FCT技术，使ALE方法程序计算大变形能力和计算精度都有一定程度的提高。用添加FCT技术后的程序对Taylor杆问题和炸药驱动飞片问题进行数值模拟，Taylor杆问题的计算结果与用LS-DYNA得到的计算结果一致。炸药驱动问题的计算结果与理论分析及实验结果符合较好，比修改前的程序计算变形能力有较大的提高。     

点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程数值模拟

为满足分层掺杂点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程物理分析的需求,在激光聚变二维总体程序LARED集成上发展了辐射输运建模下的多介质ALE方法-RTALE(Radiative Transfer Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)。为提高多介质ALE方法的健壮性,发展了驰豫网格重构算法,该重构算法生成的新网格能自适应流场的变化。数值模拟了激波与气柱相互作用的RM不稳定性实验,模拟的气泡变形程度与试验结果基本一致,其中驰豫网格重构算法中的驰豫因子能够很好地反映流场密度梯度。基于辐射多群输运建模的LARED集成程序能够完整模拟辐射驱动不对称性条件下掺杂点火靶二维内爆过程,克服了传统ALE方法计算不下去和算不好的困难,界面变形程度也符合物理分析。     

点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程数值模拟

为满足分层掺杂点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程物理分析的需求,在激光聚变二维总体程序LARED集成上发展了辐射输运建模下的多介质ALE方法-RTALE(Radiative Transfer Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)。为提高多介质ALE方法的健壮性,发展了驰豫网格重构算法,该重构算法生成的新网格能自适应流场的变化。数值模拟了激波与气柱相互作用的RM不稳定性实验,模拟的气泡变形程度与试验结果基本一致,其中驰豫网格重构算法中的驰豫因子能够很好地反映流场密度梯度。基于辐射多群输运建模的LARED集成程序能够完整模拟辐射驱动不对称性条件下掺杂点火靶二维内爆过程,克服了传统ALE方法计算不下去和算不好的困难,界面变形程度也符合物理分析。     

一类自适应运动网格的ALE方法

从积分形式的二维Lagrange流体力学方程组出发,使用ENO高阶插值多项式,推广了四边形结构网格下的一阶有限体积格式,构造一类结构网格下的高精度有限体积格式.结合有效的守恒重映方法,发展一类高精度的ALE方法,并结合自适应运动网格技术,进行ALE方法的数值模拟,得到预期的效果.     

二维Lagrange网格的积分守恒重映方法

研究了解决二维Lagrange网格大变形的一种有效的网格重分方法——积分守恒重映方法.详细地介绍了算法,并给出了数值实验结果.     

二维三温耦合差分方程组的解法

针对二维三温耦合热传导差分议程组的特点,给出并比较了块G－S算法与ICCG算法,数值结果表明,ICCG算法的收敛速度比块G－S算法的收敛速度可以快数千倍,并且,在二维激光黑腔靶耦合的数值计算中,如果能够实现向量化计算,使用ICCG方法将会大大提高数值模拟的计算效率。     

散乱物理量逼近的插值重映算法

随着流体问题的复杂和数值模拟高精度的要求,常常需要不同方法的耦合或不同网格体系的转化、叠加.只要改动网格或不同体系耦合(网格重构、细化与粗化、结构网格与非结构网格的互换)就涉及两种体系网格物理量的耦合或重映.将曲面拟合或插值的方法引入到散乱物理量重映计算中,给出几种物理量重映的算法.这些算法不受网格体系的限制,简单易用.     

基于非结构变形网格的间断装配法原理

在激波捕捉法计算得到的流场基础上采用辨识算法得到初始间断位置, 从ALE方程出发, 考虑离散几何守恒律, 采用变形网格和网格重构技术解决计算过程中间断运动和变形, 新旧网格之间流场采用高精度信息传递方法保持时间精度, 建立了基于非结构动网格技术的间断装配方法.通过激波管问题的二维模拟, 模拟了初始间断分解为激波和接触间断激波遇到固壁反射后与接触间断相交的非定常流动过程, 对这种新方法的基本原理进行了介绍.      

ALE中的重映算法

介绍了二维非结构网格上的守恒重映算法，重点是基于SFB／DC思想的通量重映算法。用统一的公式表示不同的单元量重映算法，包括原始的贡献网格法、Barth—Jespersen方法、最小二乘法，不同算法间的区别体现为梯度求法的差异。对于交错网格上速度的重映，介绍了SALE和HIS算法。此外，为保证重映算法的有界性，引入了修补方法。     

基于MOF界面重构的多物质ALE方法

提出一种基于MOF(Moment-of-Fluid)界面重构的多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法.流体力学方程组采用相容有限元方法进行空间离散.提出一种新的二维子网格力学模型,用来计算混合网格中的物理量经过一个拉氏步后发生的变化,混合网格内的界面重构采用MOF方法.提出一种精确积分守恒重映方法.给出数值算例,如空气和水的Riemann问题,Dukowicz问题,水中强激波与空气泡相互作用问题等.结果表明,方法具有较高的精度,能够处理物质界面和网格的大变形问题.     

二维拉氏自适应流体动力学（LAD2D）软件研制

二维拉氏自适应流体动力学软件LAD2D，是采用建立在拉氏自适应结构和非结构网格上的有限体积格式，可以计算平面二维和柱对称二维多物质大变形弹塑性流体动力学问题。LAD2D软件系统主要由5部分组成：主控程序、数据模块、前处理模块、主体计算模块、网格模块和后处理模块。其中主体计算采用了结构网格与非结构网格联合使用的拉氏网格体系，计算格式采用了有限体积格式。网格模块包括网格生成、自适应网格加密（AMR技术）和网格重分技术，以及网格改变后物理量守恒重映技术。LAD2D软件系统由主体程序、二维网格生成程序（GRID2D）、二维自适应网格加密程序（AMR2D）、二维自适应程序（ADAPT2D）f[I-维物理量重映程序（REMAP2D）组成。     

一种高精度保界的守恒重映方法

Lagrange方法中，当流场发生大变形时，跟踪流体运动的Lagrange网格发生扭曲，使计算无法进行下去，此时必须重分网格，把网格修复成较好的形状。另外，网格自适应技术中的重构、合并与加密，以及同一问题不同程序相继计算的连接，并行计算中相邻块边界区域的数据传递等，这些情况都需要利用旧网格上的物理量来确定新网格上的物理量，是一个物理量重映过程。质点重映方法是基于物理上守恒规律的一种离散的物理量守恒映射方法，既可实现分片常数分布的一阶精度重映计算，又可实现分片线性分布的二阶精度重映计算。这种方法可严格保证守恒量的守恒性，且可以实现任意多边形网格以及节点上物理量的守恒重映。但是，基于分片线性分布的二阶精度重映方法，如果新网格的守恒量没有进行保界调整，那么相应的强度量有可能在其局部的限制范围之外，破坏了原网格物理量的单调性。因而，对二阶精度的质点重映方法进行了进一步研究。在分片线性分布的基础上，将基于结构网格的保界算法扩展到非结构网格上，给出了二阶保界的质点守恒重映方法。     

一类基于ENO插值的守恒重映算法

在大变形流体力学问题的数值模拟中,常常会涉及到计算网格的重分.基于不同网格的物理量传递便是所谓的重映技术.基于ENO插值的思想,发展了一类适用于任意网格的ENO守恒重映算法,并给出了数值结果.     

非结构多面体二阶局部保界全局重映算法

提出一种三维非结构多面体二阶保界全局重映算法.在旧网格上选取模板利用最小二乘构造插值多项式,采用凸包算法计算多面体相交部分,最后使用局部保界修正技术修补重映后的越界量.多项数值实验表明这种格式同时具有高精度、高分辨率和高效率的特点.     

激光驱动冲击波传播稳定性的计算分析

采用简化材料状态方程,用1维特征线方法计算了激光驱动冲击波在多层材料中稳定传播的距离。计算结果与用1维三温激光-靶耦合JB程序的数值模拟结果进行了比较,二者符合得比较好。通过计算发现：冲击波在Au中的稳定传播距离受基底厚度的影响很大,稳定传播距离随基底厚度的增加先增大后减小。     

激光在高温等离子体中的成丝不稳定性数值模拟

简要介绍激光－靶耦合中,二维（ｙ,ｚ）、三维（ｘ,ｙ,ｚ）成丝不稳定性数值模拟方法及计算结果。该方法包括非局域热传导和Ｌａｎｄａｕ阻尼。二维（ｙ,ｚ）成丝过程的发展与一维双温单流体力学计算同步耦合,成丝的零级量由一维双温单流体力学计算提供。三维（ｘ,ｙ,ｚ）成丝的模拟采用固定时刻的零级量为背景进行计算。成丝过程的发展除与成丝背景有关外,还与扰动波长、入射激光强度、激光波长等有关。计算结果表明：成丝     

斜入射激光平面靶耦合的数值模拟

LARED-H是一个柱对称二维三温非平衡辐射流体力学程序，主要用于黑腔物理研究，也可模拟正入射激光平面靶耦合过程，但无法模拟斜入射平面靶问题。实际上斜入射现象会经常发生，因此需要扩充LARED-H程序在直角坐标系下的功能，用于模拟斜入射激光平面靶耦合过程。引进拟直角坐标系，把直角坐标系与柱坐标系下的总体方程的差分格式统一，实现了直角坐标系下LARED-H程序的模拟能力。