衝擊與爆轟相關的複雜、多相流體系統研究

《衝擊與爆轟相關的複雜、多相流體系統研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由許愛國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊與爆轟相關的複雜、多相流體系統研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：許愛國
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

本項目發展格子玻爾茲曼方法、物質點方法和複雜物理場的描述與分析技術，研究多相或複雜結構材料在衝擊與爆轟條件下的動力學行為。主要內容與技術路線如下：（1）構造多鬆弛因子格子玻爾茲曼模型，研究剪下或衝擊作用下多相分離、多相混合等複雜流動過程；（2）構造合理高效的物質點接觸算法，研究衝擊與爆轟條件下固體特徵向流體特徵的轉化過程；(3)發展複雜流場中特徵結構識別和描述方法，歸納其演化規律。本項目的完成將推進複雜多相流體系統介觀建模、模擬技術、分析和描述方法的發展；獲得的物理規律將有助於理解非均質炸藥起爆機理、含缺陷材料的老化、損傷過程，為衝擊動力學實驗和材料選取、製備提供參考信息。

結題摘要

本項目發展了基於統計物理的格子玻爾茲曼方法和物質點方法，獲得了一系列衝擊與爆轟相關的複雜流動過程中的特徵、機制和規律，創立了一套複雜構型和動態物理場的描述方法和分析技術，這套技術適用於各種大規模粒子模擬的數據處理與分析。具體如下：（1）構造並發展了一個多鬆弛因子格子玻爾茲曼模型；（2）構造並使用溫度自適應格子玻爾茲曼模型細緻研究了等溫與非等溫相分離、混合等複雜流動過程；（3）將形態分析技術套用於相分離過程數據分析，給出相分離過程中亞穩相分解和相疇增長兩個階段的合理判據及一些基本的標度關係；（4）構造了一個合理高效的物質點接觸算法，在衝擊與爆轟條件下固體特徵向流體特徵轉化方面獲得一些新的認識和規律；（5）藉助格子玻爾茲曼模型，發展出一套複雜流體系統非平衡效應的檢測、描述方法；（6）構造出一個爆轟格子玻爾茲曼動理學模型；在馮 • 紐曼峰附近發現一系列傳統流體模型所不能描述的非平衡效應、特徵、機制和規律；（7）套用物質點方法，結合微觀分子動力學模擬，開展了延性金屬損傷增長演化的微介觀數值模擬研究。在本項目的執行過程中，動力學和熱力學非平衡效應是研究的重點。其中，工作（2）被收錄PRE Kaleidoscope做永久展示；工作（3）被收錄EPL Highlights of 2012； 工作（5）首先在我們的綜述文章[Xu, et al, Front. Phys., 2012, 7(5): 582–600]中作為一個新思想生長點出現，然後在工作（6）中得到進一步展開；工作（6）（7）為在圓滿完成既定研究計畫的基礎上所做的擴展研究。工作（6）第一次將格子玻爾茲曼模型推廣套用於爆轟領域，為研究爆轟過程中的熱力學非平衡效應開啟了大門。本項目執行期間共發表研究論文25篇，四次在國際會議做邀請報告（其中一次為格子玻爾茲曼領域歷史最悠久的DSFD2013）、三次獲科技創新或技術進步獎（計算物理國家級重點實驗室科技創新獎兩次、北京套用物理與計算數學研究所技術進步獎一次）。模型和方法方面的工作推動了複雜多相流體系統介觀建模與模擬技術的發展；微介觀結構特徵、非平衡特徵及其效應方面的新認識推進了複雜系統和非均質炸藥起爆動理學過程的理解。物質點模擬所獲結果有助於理解材料斷裂和動態損傷前期的一些特徵和規律。在課題執行過程中，2名博士後、4名博士生、4名碩士生通過參研而獲得培養。