爆轟驅動的多流體系統數值模擬及套用研究

《爆轟驅動的多流體系統數值模擬及套用研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由倪國喜擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：爆轟驅動的多流體系統數值模擬及套用研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：倪國喜
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

爆轟是武器物理研究的重要內容，它的發生、發展與傳播是一個複雜過程，本項目擬研究爆轟驅動下多流體（多相流與多介質）的一些重要的問題，包括衝擊與起爆條件下多相流的動力學行為，以及強衝擊下多介質大變形流體的演化。主要內容：（1）研究剪下或衝擊作用下多流體系統的細觀結構的形成與演化，以及非均質材料的巨觀流體力學與熱力學的建模；(2)研究移動格線與無格線的耦合算法，它的動態連線方法研究，利用這種耦合算法模擬強衝擊下多介質大變形流體的演化；（3）研究相應的複雜狀態方程的Riemann問題，以及它的高效高精度的疊代算法；（4）利用獲得的研究成果，以及有關的實驗數據，模擬鈍感炸藥的衝擊起爆，不斷改進物理建模與數值模擬方法。本項目的完成將推動複雜多相流體系統建模、強衝擊下多介質流體的演化的數值模擬方法的發展，獲得的研究成果將為爆轟與衝擊動力學實驗和材料選取及武器物理研究提供重要的參考價值。

結題摘要

本項目主要在四個方面開展了相關的研究工作。 1.構造了反應流的移動格線上動理學格式。利用BGK模型的Chapman-Enskog展開可以得到流體力學方程組，這裡利用BGK模型推導了含化學反應的流體力學方程組，它通過在模型方程中增加自由度的途徑可以實現，並利用含化學反應的方程組積分形式構造了移動格線上離散格式,再利用自適應移動格線方法得到格線速度, 最後利用時間精確的動理學數值方法構造數值通量, 從而得到移動格線單元上新的物理量.由於化學反應區結構的複雜性，這種格式充分考慮含化學反應的流體的特點，結合移動格線方法，很容易提高格式的解析度。 一維與二維的數值實驗表明這種格式具有高精度、高解析度的特點. 2. 研究了可壓LB模型在爆轟流體模擬中的套用。LB（LatticeBoltzmann）方法起源於複雜系統複雜行為研究的格子氣或元胞自動機模型；現代版的LB Model (LBKM) 植根於非平衡統計物理學的基本方程—Boltz mann 方程。這裡主要研究單鬆弛因子和多鬆弛因子LBKM 構建的統一理論，介紹其在非平衡與多相複雜系統研究方面的套用。簡單列舉LB 在多相流、可壓流、材料動理學等方面的進展，重點介紹使用LB 研究流體界面不穩定性、燃燒等問題的工作。通過研究發現，LB方法不僅適用可以用於可壓縮流體問題，通過巨觀量研究系統的非平衡行為、可以提供系統偏離熱力學平衡引發的巨觀效應是LBKM 建模優越於巨觀連續介質建模的地方；這類研究結果可以為現有程式或軟體中巨觀模型的改進（例如修正項的構造）提供物理參考。 3.研究了爆轟驅動的多相流體系統演化的數值模擬方法。本項目內容之一研究了有限體積格式框架下的數值方法，主要涉及有混合單元物理量的構造、界面數值通量的設計、格線的移動策略以及反應率函式的建模等，具體地講研究了混合單元的物理量的構造。基於化學反應區反應物與產物的狀態量與反應進程量的關係，構造混合物狀態方程的近似表達式，得到混合物聲速、溫度與壓力等物理量，這是複雜狀態方程數值模擬的難點。然後根據混合單元的物理量，設計高效、穩定的疊代方法，求解反應區的多相流的黎曼問題，構造數值通量。 4.研究方法初步套用最後將研究成果套用於鈍感炸藥的數值模擬，特別是模擬含JWL類狀態方程的反應流體問題，得到一些初步的結果。