爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,尖钉的最大振幅与增长速度无量纲数之间存在线性近似关系,进一步理论分析表明尖钉的振幅增长因子与加载压力、初始扰动形态和材料强度有关,该理论关系作为扰动增长规律的线性近似在一定范围内适用于多种金属材料.     

爆轰驱动铝飞层扰动增长的数值模拟（英文）

建立了研究炸药爆轰驱动条件下金属材料Rayleigh-Taylor不稳定性问题的实验技术和数值模拟方法。利用该实验技术和数值模拟方法研究了炸药爆轰驱动条件下,铝飞层界面Rayleigh-Taylor不稳定性增长规律,数值模拟显示界面扰动振幅以指数规律增长。数值模拟结果和实验定性相符,但是定量相比有较大差别,原因是高压高应变率加载条件下铝的强度增强,而数值模拟时所采用的SG本构模型在这样的加载条件下低估了铝的强度而导致对扰动增长致稳作用不足。然后在数值模拟中,通过改变材料的初始剪切模量和初始屈服强度,发现在一定范围内,初始剪切模量对材料动态屈服强度没有影响,而初始屈服强度增大可以明显提高材料的动态屈服强度,达到抑制扰动增长的目的,表明材料屈服强度主导界面扰动增长。     

高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟

本文采用相场格子Boltzmann方法研究了竖直微通道内中等Atwoods数流体的单模Rayleigh-Taylor不稳定性问题,系统分析了雷诺数对相界面动力学行为以及扰动在各发展阶段演化规律的影响.数值结果表明高雷诺数条件下,不稳定性界面扰动的增长经历了四个不同的发展阶段,包括线性增长阶段、饱和速度阶段、重加速阶段及混沌混合阶段.在线性增长阶段,我们计算获得的气泡与尖钉振幅符合线性稳定性理论,并且线性增长率随着雷诺数的增加而增大.在第二个阶段,我们观察到气泡与尖钉将以恒定的速度增长,获得的尖钉饱和速度略高于Goncharov经典势能模型的解析解[Phys.Rev.Lett.200288134502],这归因于系统中产生了多个尺度的旋涡,而涡之间的相互作用促进了尖钉的增长.随着横向速度和纵向速度的差异扩大,气泡和尖钉界面演化诱导产生的Kelvin–Helmholtz不稳定性逐渐增强,从而流体混合区域出现许多不同层次的涡结构,加速了气泡与尖钉振幅的演化速度,并在演化后期阶段,导致界面发生多层次卷起、剧烈变形、混沌破裂等行为,最终形成了非常复杂的拓扑结构.此外,我们还统计了演化后期气泡与尖钉的无量纲加速度,发现气泡和尖钉的振幅在后期呈现二次增长规律,其增长率系数分别为0.045与0.233.而在低雷诺条件下,重流体在不稳定性后期以尖钉的形式向下运动而轻流体以气泡的形式向上升起.在整个演化过程中,界面变得足够光滑,气泡与尖钉在后期的演化速度接近于常数,未观察到后期的重加速与混沌混合阶段.     

柱面内爆驱动金属界面不稳定性的数值模拟研究

对柱面爆轰驱动内壁刻有正弦扰动的金属钢壳与内部硅橡胶界面产生不稳定性问题进行数值模拟,计算结果与实验结果定性符合.与不考虑金属强度情况对比分析认为,未熔化状态下金属强度对不稳定性具有较强抑制作用,在某些加载条件下会使扰动增长率随扰动模数增加而减小.之后,对强度因素影响下内爆压缩驱动金属不稳定性问题的扰动发展规律进行了总结.在聚心反射波到达壳体之前,造成初始界面反转的RM不稳定性起主导作用,随着扰动模数增加扰动由呈近似线性发展到基本不发展变化,基本不变化后的扰动振幅也随模数增加而减小.聚心反射波作用到壳体内界面后,减速RT不稳定性作用明显增强,与强度等因素共同作用造成扰动呈明显非线性发展.无论是前期RM不稳定性主导阶段还是之后以减速RT不稳定性为主的扰动发展阶段,强度因素均能造成未熔化状态下金属不稳定性截止波长存在.     

耦合界面张力的三维流体界面不稳定性的格子Boltzmann模拟

采用介观格子Boltzmann方法模拟界面张力作用下三维流体界面的Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的增长过程,主要分析表面张力对流体界面动力学行为及尖钉和气泡后期增长的影响机制.首先发现三维RT不稳定性的发生存在临界表面张力(σ_c),其值随着流体Atwood数的增大而增大,且数值预测值与理论分析结果σ_c=(ρ_h-ρ₁)g/k~2一致.另外,随着表面张力的增大,不稳定性演化过程中界面卷吸程度和结构复杂性逐渐减弱,系统中界面破裂形成离散液滴的数目也显著减少.相界面的后期动力学行为也从非对称发展转向始终保持关于中轴线对称.尖钉与气泡振幅在表面张力较小时对其变化不显著,当表面张力增大到一定值后,可以有效地抑制尖钉与气泡振幅的增长.进一步发现,高雷诺数三维RT不稳定性在不同表面张力下均经历4个不同的发展阶段:线性阶段、饱和速度阶段、重加速和混沌混合阶段.尖钉与气泡在饱和速度阶段以近似恒定的速度增长,其渐进速度的值与修正的势流理论模型结果一致.受非线性Kelvin-Helmholtz旋涡的剪切作...     

对碰爆轰波驱动下几种金属平面飞层的动载行为

两相向传播的滑移爆轰波相互碰撞时，被其驱动的飞层内会产生急剧升高的压力和剪切流变。这种加载条件与被驱动飞层材料动载性能耦合，可能在飞层相应局域引发特殊的表面喷射、变形失稳、断裂等动载行为。本课题选择铅和无氧铜作为研究对象，采用光学分幅和脉冲X光照相技术，对Pb和Cu平面飞层在爆轰波对碰驱动下的动载行为进行观测，对相关物理机制进行分析。     

一维过驱动爆轰波形成的数值研究

利用有限速率的基元反应模型对一维过驱动爆轰波的形成过程进行数值模拟.研究表明,在上游高温、高压、高速来流作用下首先会形成一道强激波,其波面方存在诱导区和放热区,然后诱导区和放热区界面会在来流扰动的作用下发生失稳,经过复杂的波系运动过程形成过驱动爆轰波.通过对不同初始条件下界面失稳过程的模拟和分析,研究了混合气体的组元、温度,来流的压力、温度、速度对过驱动爆轰波形成的影响.     

爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性实验研究

金属界面不稳定性是内爆物理压缩过程中关注的重要问题,与传统流体界面不稳定性具有显著区别.由于相关理论和实验诊断技术的限制,目前该问题的研究还明显不足.为加深对金属界面不稳定性扰动增长行为的认识,本文建立了爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性研究的实验诊断技术和数据处理方法,得到了扰动发展早期不同时刻界面扰动增长的X光图像.实验结果分析表明:在爆轰产物的无冲击加载条件下扰动波长基本保持不变,而初始扰动幅值越大,界面扰动增长的趋势就越明显;同时随着样品前界面扰动的不断发展,在样品的后自由面也出现了与前界面初始相位相反的扰动特征,即样品前界面扰动为波谷的位置所对应的后界面先运动而逐渐演变为波峰,而前界面扰动为波峰的位置所对应的后界面则演变为波谷;在5.26μs时刻,界面扰动幅值增长为初始值的700%左右,应变率达到了约105/s.结合数值模拟研究表明:在此情况下常用的Steinberg-Cochran-Guinan模型在一定程度上低估了高纯铜材料强度的强化特性,无法准确地描述强度对界面扰动增长的制稳作用,从而导致数值模拟结果要大于实验测量结果.     

表面张力对高雷诺数Rayleigh-Taylor不稳定性后期增长的影响

采用多相流的相场格子Boltzmann方法数值研究了微通道内高雷诺数单模Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的后期演化规律,重点分析表面张力对相界面动力学行为以及气泡与尖钉增长的影响.数值实验表明,随着界面张力的增大,可以有效降低演化过程中相界面结构的复杂程度,并抑制不稳定性后期相界面破裂形成离散液滴.另外,增大表面张力可以先促进后抑制气泡振幅的增长,而当表面张力较小时,尖钉振幅增长曲线之间并无明显差别,当表面张力增大到一定值后,它对尖钉振幅的抑制效果可明显地被观察到.进一步,根据不稳定性速度增长曲线,将高雷诺数单模RT不稳定性的演化划分为线性增长、饱和速度增长、重加速、混沌混合四个发展阶段.数值计算获取气泡与尖钉的饱和速度符合包含界面张力效应的势流理论模型.另外还统计了不同表面张力和Atwood数下表征RT不稳定性后期演化的气泡与尖钉增长率,结果显示气泡与尖钉后期增长率随着表面张力的增大总体上呈现出先促进后抑制的规律.最后,从数值计算和理论分析两方面研究了不同Atwood数下RT不稳定性发生的临界表面张力,发现两者结果符合得很好,并且临界表面张力随着流体Atwood数的增大而增大.     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学     

远场来流条件下过冷熔体球晶生长的稳定性

建立了远场来流条件下过冷熔体球晶生长的温度场和浓度场稳态模型,分析了对流对球晶周围温度场和浓度场的影响,并以Trivedi的纯扩散球晶稳定性判据为基础,推导出远场来流条件下过冷熔体球晶生长的临界稳定性判据. 研究表明:远场来流条件下,迎流面的扰动振幅增加速率明显大于背流面的扰动振幅增加速率. 振幅增加速率最大值对应的扰动阶次从迎流面到背流面逐渐减小,随着球晶半径增加而增大. 对流使迎流面的稳定性降低,背流面的稳定性增大. 随着流速的增加,球晶的临界稳定半径减小. 关键词： 球晶 远场来流 界面形态稳定性 Trivedi判据     

偏心对汇聚激波诱导的RM不稳定性影响的数值研究

数值研究汇聚激波与四种形状（圆形、小振幅单模、大振幅单模和正方形）的二维气柱界面相互作用,激波汇聚中心与界面同心和不同心（即偏心）时Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的发展规律,重点考察界面中心的压力及混合区面积在两种情况下随时间的变化.数值方法使用VAS2D程序,该方法采用有限体积法结合网格自适应技术,能够达到时间和空间的二阶精度.结果表明,偏心情况下RM不稳定性是其在同心情况下的扰动和偏心小扰动叠加的结果.在本文采用的偏心程度下（20%）,偏心对于圆形无扰动界面发展的影响主要表现在后期界面出现微小扰动结构;而对于单模和正方形这种原本有扰动的界面,偏心使扰动结构呈现不对称及扭曲,同时也影响了界面中心压力和混合区面积,因而加剧了不稳定性的发展.     

Simulation study on cavity growth in ductile metal materials under dynamic loading

Cavity growth in ductile metal materials under dynamic loading is investigated via the material point method. Two typical cavity effects in the region subjected to rarefaction wave are identified: (i) part of material particles flow away from the cavity in comparison to the initial loading velocity, (ii) local regions show weaker negative or even positive pressures. Neighboring cavities interact via coalescence of isobaric contours. The growth of cavity under tension shows staged behaviors. After the initial slow stage, the volume and the dimensions in both the tensile and transverse directions show linear growth rate with time until the global tensile wave arrives at the upper free surface. It is interesting that the growth rate in the transverse direction is faster than that in the tensile direction. The volume growth rate linearly increases with the initial tensile velocity. After the global tensile wave passed the cavity, both the maximum particle velocity in the tensile direction and the maximum particle velocity in the opposite direction increase logarithmically with the initial tensile speed. The shock wave reflected back from the cavity and compression wave from the free surface induce the initial behavior of interfacial instabilities such as the Richtmyer-Meshkov instability, which is mainly responsible for the irregularity in the morphology of deformed cavity. The local temperatures and distribution of hot spots are determined by the plastic work. Compared with the dynamical process, the heat conduction is much slower.     

RICHTMYER-MESHKOV不稳定性的数值模拟

采用了自适应的非结构网格和基于有限体积法的二阶Godunov格式,数值模拟了在激波作用下两种不同密度流体的交界面的演化过程.着重讨论了Richtmyer Meshkov不稳定性以及斜压效应在交界面演化过程中的作用,并给出了交界面的扰动增长率.     

Linear stability analysis on a spherical particle growing from a binary melt under the far-field flow

The solutions of temperature and solute fields around a spherical crystal growing from a binary melt under the far-field flow are obtained.Based on the results,a linear stability analysis on the spherical interface growing from the binary melt under the far-field flow is performed.It is found that the constitutional supercooling effect ahead of the spherical crystal interface under the far-field flow is enhanced compared with that without the flow.The growth rate of the perturbation amplitude at the up-wind side of the spherical crystal interface is larger than that at the down-wind side.The critical stability radius of the crystal interface decreases with the increasing far-field flow velocity.Under the far-field flow,the whole spherical interface becomes more unstable compared with that without the flow.     

Numerical simulation of deformation and fracture of a material with a polysilazane-based coating

The paper studies the localization of plastic deformation and fracture in a material with a porous coating. A dynamic boundary value problem in the plane strain formulation is solved. The numerical simulation is performed by the finite difference method. The composite structure corresponds to the experimentally observed one and is specified explicitly in the calculation. A generation procedure of the initial finite-difference grid is developed to describe the coating structure with adjustable porosity and geometry of the substrate-coating interface. Constitutive equations for the steel substrate include an elastic-plastic model of an isotropically hardening material. The ceramic coating is described by a brittle fracture model on the basis of the Huber criterion which accounts for crack nucleation in triaxial tension zones. It is shown that the specific character of deformation and fracture of the studied composite results from the presence of local tensile regions in the vicinity of pores and along the coating-substrate interface, in both tension and compression of the coated material. The interrelation between inhomogeneous plastic flow in the steel substrate and crack propagation in the coating is studied.     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

The effect of two-dimensional shear flow on the stability of a crystal interface in a supercooled melt

A model is developed based on the time-related thermal diffusion equations to investigate the effects of twodimensional shear flow on the stability of a crystal interface in the supercooled melt of a pure substance.Similar to the three-dimensional shear flow as described in our previous paper,the two-dimensional shear flow can also be found to reduce the growth rate of perturbation amplitude.However,compared with the case of the Laplace equation for a steady-state thermal diffusion field,due to the existence of time partial derivatives of the temperature fields in the diffusion equation the absolute value of the gradients of the temperature fields increases,therefore destabilizing the interface.The circular interface is more unstable than in the case of Laplace equation without time partial derivatives.The critical stability radius of the crystal interface increases with shearing rate increasing.The stability effect of shear flow decreases remarkably with the increase of melt undercooling.     

The effect of two-dimensional shear flow on the stability of a crystal interface in the supercooled melt

A model is developed based on the time-related thermal diffusion equations to investigate the effects of two-dimensional shear flow on the stability of a crystal interface in the supercooled melt of pure substance. Similar to the three-dimensional shear flow as described in our previous paper, the two-dimensional shear flow can also be found to reduce the growth rate of perturbation amplitude. However, compared with the case of Laplace equation for steady state thermal diffusion field, due to the existence of time partial derivatives of the temperature fields in diffusion equation the absolute value of the gradients of the temperature fields increases, therefore destabilizing the interface. The circular interface is more unstable than in the case of Laplace equation without time partial derivatives. The critical stability radius of the crystal interface increases with shearing rate increasing. The stability effect of shear flow decreases remarkably with the increase of melt undercooling.