凝聚炸藥爆轟的高精度歐拉數值模擬方法及套用研究

《凝聚炸藥爆轟的高精度歐拉數值模擬方法及套用研究》是依託中國科學院力學研究所，由申義慶擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：凝聚炸藥爆轟的高精度歐拉數值模擬方法及套用研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：申義慶
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

由於實驗設備、測量技術等方面的限制，數值模擬成為研究爆轟理論和套用的一種重要手段。凝聚態爆轟與氣相爆轟有許多相似之處，但凝聚態爆轟更為複雜，對凝聚態爆轟的一些深層次問題的理解還很不清楚，凝聚炸藥爆轟的數值模擬面臨著各種挑戰問題。本項目針對廣泛套用於凝聚炸藥爆轟研究的JWL狀態方程，研究由其強非線性帶來的數值求解困難及其對離散格式的要求，發展有效的對流迎風分離壓力求解方法；結合爆轟波傳播特徵及典型流動參數，發展魯棒的、高精度的激波判別方法；結合前兩項研究，進一步發展爆轟波化學反應流動的耗散自適應的一致高精度歐拉數值方法；研究唯象化學反應速率方程的數值剛性效應及有效求解方法；在此基礎上，開發高效的MPI並行和GPU 求解程式，通過對凝聚炸藥典型爆轟問題的數值模擬研究，揭示並理解相關的物理現象，分析相關因素對爆轟物理規律的影響，為安全、有效的使用炸藥及實際套用設計提供數值支持。

結題摘要

凝聚炸藥爆轟與核工業發展密切相關，在國防科技和國民經濟中具有重要的作用。由於凝聚炸藥爆轟的各種物理參量具有極端狀態，實驗設備與測量技術等方面尚有許多限制，數值模擬已成為研究爆轟理論及其套用的一種重要手段。凝聚炸藥爆轟是劇烈的化學反應與複雜的流體力學高度耦合的非線性動力學過程，化學反應區前沿為前導強激波，前導強激波壓縮未反應炸藥引起化學反應並快速釋放能量以支持前導強激波的自持傳播，化學反應區與前導強激波構成一個以超聲速傳播的整體，稱為爆轟波。在爆轟波傳播過程中，各種物理參量（壓力、溫度及密度等）隨空間和時間急劇變化。本項目的研究內容主要是發展凝聚炸藥爆轟問題的高精度、高解析度歐拉數值模擬方法。為了捕捉爆轟過程中的各種強間斷，在項目的支持下，課題組首先發展了系列激波捕捉格式，如針對三階WENO格式，提出利用整體模板上的點來構造子模板上的光滑因子，在單調光滑區域，該方法構造的光滑因子在兩個子模板上完全相等，因而加權過程不引入額外的耗散，從而具有更好的高精度低耗散性質；針對五階WENO-Z型格式，提出光滑度自調節函式，有效解決了五階WENO-Z格式存在的極值點五階精度與低耗散的矛盾；利用數值攝動的思想，構造了攝動-加權基本無振盪（P-WENO）格式，該格式有效降低了WENO格式達到理想收斂精度的條件，為構造高精度WENO格式提供了一個新途徑；為了能更好地識別流場中的激波，提出了一種較為普適的組合變數，並利用該變數計算的權值來對通量中的各分量進行加權，在此基礎上，發展了自適應的特徵基重構WENO格式；提出最後一級為隱式的高精度Runge-Kutta時間推進方法，在計算中可以使用較大的時間步長，能夠更好地適應剛性問題的計算；提出和發展了雙信息保存(DIP)方法，即引入單元信息與粒子信息，分別計算單元信息點與粒子信息點的位置運動及輸運量，利用單元與兩類運動點的關係，計算新的單元信息，DIP能有效避免剛性化學反應流動中爆轟波的非物理數值傳播現象，也適用於多相界面的計算；發展了針對炸藥爆轟的對流迎風分離壓力（CUSP）方法及二維爆轟GPU程式開發，模擬了二維爆轟波繞射問題，精細的捕捉到了爆轟波的熄滅、恢復及反射過程。