材料动态响应的多尺度数值模拟研究

冲击作用下材料的动态力学行为是工程力学、材料、武器物理和空间物理中的重要课题,其位错的产生和演化、绝热剪切带的形成、界面的冲击熔化和微层裂等,是我们研究的热点。以上材料的动力学效应,大都发源于原子尺度的微观缺陷,跨越了多个空间尺度和时间尺度,最后发展为宏观损伤效应。迄今为止,损伤形核、长大和汇合、界面的冲击熔化等效应的理论研究仍然存在许多空白。受限于现有实验技术,损伤从微观、细观至宏观尺寸的成核和演化等诸多中间环节均没有原位实验观测,这给加载过程中材料的动力学响应分析带来很大困难。因此,数值模拟研究材料微损伤演化是理解冲击作用下材料动力学行为的有效途径之一。     

动载下材料的微结构演化专刊·前言

正动态加载下材料的响应行为是高压物理、爆炸力学等学科领域关注的重要科学问题之一,也是支撑国防科技和工程技术发展的关键基础,在航空航天、能源环境、交通安全等国民经济领域具有重要的应用价值。20世纪50年代后期,在相关任务驱动下,我国老一代科学家在极其困难的条件下开始了该领域的研究工作。经过半个多世纪的不懈努力,取得了很多重要的科研成果,培养了一大批优秀的中青年科研骨干,有力地支撑了我国国防科技和民生安全事业的发展。     

纳米接触行为的三维多尺度数值模拟

应用分子动力学与有限元耦合的桥域多尺度算法,模拟三维刚性球形压头与光滑基体表面的纳米尺度接触行为,并与全原子分子模拟结果比较.考察在一定载荷下的系统弛豫行为、两种模型桥接区位移和应力的连续性、法向力和接触面积随压头位移变化等,结果表明:一定外载荷下,桥域多尺度算法能较快达到平衡状态,且压头的振荡幅度更小,系统初始温度为0 K时该算法的相对误差最小.在准静态加载过程中,该算法能够将原子区的位移、应力等连续的过渡到连续介质区,具有较好的耦合效果;法向力-压头位移和接触半径-压头位移曲线几乎与分子模拟结果重合,表明算法具有较高的计算精度.     

STEVEN试验中模拟材料D-90031力学响应的数值模拟

由LANL的Stenen K．Chidester和Green在20世纪90年代初设计的STEVEN试验补充了苏珊试验在安全性能考核方面的不足，更接近于武器在意外的低速撞击中受冲击的情况，被列为美国用于库存老化炸药的安全性能测试。     

粘性不可压流的变分多尺度数值模拟

在变分多尺度的理论框架内,将待求解的各个物理量分解到"粗"、"细"两种尺度上.在"细"尺度上采用"泡"函数作为近似函数,通过Petrov-Galerkin方法得到"细"尺度上的近似解;然后引入求解"粗"尺度方程所需的稳定项及与其相适应的稳定化因子;最后运用有限元方法求解"粗"、"细"两种尺度耦合的整体变分多尺度方程,得到有限元近似解.数值算例表明,该处理方法成功地消除了数值求解粘性不可压Navier-Stokes方程过程中,由对流占优和速度-压力失耦引起的数值伪振荡;所引入的稳定化因子适用于结构网格及非结构网格上的数值计算.     

混凝土材料动态力学性能实验与数值模拟研究

 利用轻气炮对素混凝土材料进行了3种不同冲击速度下的动态力学性能实验,得到了时间-应力曲线,随后利用软件进行数值模拟,将模拟结果与实验结果进行比较,解释了飞片和靶板破坏过程中波的传播过程。通过分析发现：混凝土材料表现出明显的率相关性、滞后效应和应力波的衰减特征,这些与材料内部损伤的演化密切相关;混凝土材料在压缩波、边侧稀疏效应和左、右自由表面反射拉伸波的共同作用下,最终形成宏观破碎;实验中靶板尺寸设计合理,有效避免了边侧稀疏效应对锰铜压阻计测试信号的影响。     

随机过程动态自适应小波独立网格多尺度模拟

在随机过程数值仿真中,由多项式混沌展开谱方法得到求解展开系数的确定性偶合方程组。该方程组比相应的确定性仿真时增大许多。并且当多项式展开阶数和随机空间维数提高时,方程维数急剧增加。由于待求未知分量为表征不同尺度波动的混沌展开模,形成节点意义下的的多尺度问题,传统的网格细分自适应逼近不再适用。为此我们采用了小波的多尺度离散,并建立基于空间细化的动态自适应系统,让每个求解点上的多个未知分量有各自独立的小波网格。本文以随机对流扩散方程为例,进行了二个算例的数值实验,论证了此方法的优点。     

微尺度血液透析的多相数值模拟

建立血液流动的剪切稀化模型,并对3-D微管道内血液多相流动进行数值模拟,得到的结果与实验数据比较显示,该模型不仅能预测微管道内速度分布,还可以体现微尺度下血液流动的F-L效应.为了探索无膜透析可行性,利用该非牛顿两相流模型对T型微槽道内血液透析过程进行数值模拟,结果表明,血浆中质量扩散系数较大的组份很容易从血液扩散到透析液中,实现了组份分离.     

燃烧过程的多尺度模拟与动态自适应机理方法

介绍了一种多时间尺度模拟方法和动态自适应机理方法。在模拟过程中,根据当时的热化学状态动态获得即时简化机理,通过计算各个组分的特性时间,依据其特征时间将基元组分和反应划分为不同的计算组,各个组采用不同的时间步长进行计算。基于该方法,采用详细化学机理对癸烷及庚烷自燃着火过程进行模拟,并将模拟结果与全过程采用详细机理的隐式积分算法进行比较。结果证明该方法具有很高的精度,同时,该方法能大大提高计算的速度。该方法的应用将有助于实现燃烧问题的高效精确模拟。     

随机多孔复相介质稳态温度场的多尺度数值模拟

本文就随机多孔复相介质稳态温度场,提出了多尺度分析的基本思想和具体的计算公式,它们是建立在确定性温度场的多尺度算法和Ｋａｒｈｕｎｅｎ－Ｌｏｅｖｅ展开式基础上．文中算例表明这一算法的有效性。     

激光辐照受拉铝板破坏行为的时空多尺度数值模拟

推导耦合过渡区内参变量信息交换的元/网格动量传递多尺度算法,建立离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型,并应用于激光辐照下受拉铝板破坏行为的数值模拟中.通过对比有限元计算模型、空间多尺度计算模型与时空多尺度计算模型在激光辐照下受拉铝板破坏算例的模拟结果,验证离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型的准确性和数值计算高效率优势.使用该多尺度计算模型从宏观和细观尺度对铝板破坏行为进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致.     

甲烷微尺度催化燃烧的数值模拟

本文联合使用计算流体力学软件FLUENT和可以计算表面反应的化学反应动力学软件DETCHEM对有逆流换热的微尺度燃烧器进行了数值计算。计算中忽略空间反应。燃料-空气混合物的当量比为0.4,反应器壁面采用等温边界条件。计算结果表明,采用催化燃烧可以实现微尺度下通常情况下无法实现的甲烷稳定燃烧。通过适当设置催化表面,可以实现燃料低温、高效转变。甲烷的总转变率受流动状态、反应温度和催化表面的大小等因素的影响。     

单空位体系多尺度模拟

基于多尺度协同算法，实行了统一动力学模拟方案，研究了单空位体系的位移分布与位移振荡行为、能量随时间起伏以及差分电荷密度与外部环境的影响.计算结果发现位移分布及其相关行为反映了单空位体系的量子力学效应；同时，体系总能、差分电荷密度计算则给出了外部环境的影响，反映了经典效应与量子效应的耦合. 关键词： 多尺度杂化算法 统一动力学 电子态 原子位移     

复杂系统对流-扩散问题的多尺度关联模式与数值模拟

本文针对一类与时间相关的具有某种周期性的复杂系统对流-扩散方程,初步建立了介观与宏观耦合的多尺度分析的一般框架,并进行了数值实验。     

多尺度等离子体动力学数值模拟中最初的无方程投影积分技术

发展一种针对等离子体多尺度问题的"最初的无方程投影积分(p-EFPI)"方法并成功应用于离子声波的模拟.该方法包括时间推进和时间投影两部分.电子速度通过概率分布函数或累积分布函数投影外推,电子位置坐标则通过投影外推的电子电荷密度重新调出;与电子相比,假设粗糙的离子运动可以很好地描述宏观尺度等离子体的演化行为,通过追踪和投影外推每个离子轨道保持全部离子运动学效应.尝试和检验p-EFPI方法在模拟等离子体物理现象中的应用.以离子声波为范例,数值计算表明:在离子相空间出现离子捕获效应前,p-EFPI模拟能够很好地再现PIC的结果,在离子捕获发生后,p-EFPI模拟仍然可以抓住除了离子捕获特征之外的其它主要物理特征.     

仿生多尺度超浸润界面材料

仿生多尺度超浸润界面材料是20世纪90年代末以来迅速发展起来的一类新型功能材料,该研究领域突出的特点是基础研究和应用研究密切结合、仿生理念与材料制备技术密切结合.近年来,研究人员围绕仿生多尺度超浸润界面材料的构筑与应用中的若干关键科学问题开展了深入研究,取得了一系列有特色、有创新意义的研究成果,开发出了一系列的材料制备新方法和新技术.本文首先介绍仿生多尺度超浸润界面材料的发展历程和固体表面浸润性的理论基础;然后讨论对自然界中具有特殊浸润性能的功能表面的原理揭示和仿生设计;对仿生多尺度超浸润界面材料的典型应用领域,例如自清洁、集水、防冰、油水分离以及化学反应等进行了总结;最后对仿生多尺度超浸润界面材料的发展前景进行了讨论.     

加热表面粗糙度对高热流密度沸腾传热影响的多尺度数值模拟

本文以沸腾固气液界面为研究对象,建立了包括孔穴活化、液膜蒸发、气泡生长与脱离、壁面热传导等子过程的耦合模型,以探究固气液界面传热对高热流密度沸腾过程的影响。为了能够分辨微米量级的孔穴,模型中10 mm×10 mm的沸腾表面被划分为诸多子区域,每一个子区域中孔穴大小和数量随机分布,当子区域的过热度大于孔穴活化的临界过热度时,一部分孔穴活化生成气泡。进一步结合大液膜蒸发模型获得沸腾传热热流密度,并将其作为边界条件分析加热器热传导特性,从而通过对不同过程的多尺度耦合模拟不同表面粗糙度条件下高热流密度区的核态沸腾曲线,并进一步分析了孔穴数量及分布对加热壁面温度的影响。结果表明:预测所得沸腾曲线与实验结果基本相符,加热表面孔穴数量的增加使沸腾曲线左移,同时,孔穴数目的增多还会使活化点密度对壁面温度波动更为敏感,从而产生交替出现的长短周期。     

激波与颗粒相互作用全尺度直接数值模拟

激波与颗粒的相互作用广泛存在于超音速两相流中,具有十分重要的研究意义和价值。本文将内嵌边界方法与高精度激波捕捉格式WENO结合,模拟了激波强度Ms为2.81和1.3的激波与圆柱相互作用的过程。计算结果与文献值吻合较好,验证了本文算法的准确性。通过将上述两个案例对比,发现激波强度对于流场结构有十分重要的影响。除此之外,本文还发现圆柱表面受到的压力不稳定,其最大值出现在入射激波到达圆柱赤道之前,数值要高出稳态值很多倍。     

细胞尺度冰晶生长行为的相场数值模拟

细胞尺度的冻结损伤机制是实施低温手术及生物材料低温保存的关键,本文围绕低温条件下的微尺度冻结问题,应用相场模型对冰晶的形成过程进行了数值模拟,明确了相场模型相关重要参数的确定方法,并最终得到各向同性条件下,二维平面内冰晶的生长过程及其生长特点.     

微通道板动态特性的数值模拟

对皮秒高压脉冲驱动下微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性进行了数值模拟,在电压脉冲波形分别为高斯形、三角形和梯形时,得到了电子渡越时间与电压脉冲宽度、幅度的关系曲线。在考虑入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,获得了增益曲线的半峰全宽和峰值随脉冲电压幅度、宽度的变化规律。分析结果表明：当微通道板两端所加电压为梯形波时,微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性较加三角波和高斯波要好。