准等熵压缩的数值模拟研究

 就阻抗递变的多层组合飞片对靶样品的冲击压缩过程进行了一维平面应变数值模拟计算,其中,等熵线采用逐步递推法计算。以水和钽为靶的计算结果显示,这种多层组合飞片对水和钽均产生了很好的准等熵压缩效果。其中,对水的计算结果与国外文献报道的结果一致;计算的钽/氟化锂窗口界面速度历史与实验结果十分吻合。因此,用适当匹配的多层组合飞片对靶样品产生准等熵压缩是可行的,提出的准等熵压缩的数值模拟方法是可靠的。     

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射技术是近十年来国外核武器实验室发展起来的冲击动力学方面的一种新型实验方法和技术。它可以达到压力平滑加载范围跨越最大，可以实现GPa到TPa量级的加载，一次实验可提供一条从低压到高压完整的等熵参考线，己实现宏观金属飞片高达34km／s的速度，同时可以在一发实验中实现多个样品或飞片的同时加载。更重要的是以往各种加载手段实现的是冲击压缩，而磁驱动实现的是准等熵压缩。     

固体炸药的磁驱动准等熵压缩实验研究

较宽压力范围内未反应炸药的本构关系和状态方程对于深入和精确认识压缩波作用下炸药组分间相互作用的力学过程和起爆热点的形成机制具有重要意义。较之冲击压缩,磁驱动准等熵压缩加载(无冲击压缩)是获取较宽压力范围内未反应炸药的动态压缩力学特性更有效的手段。基于大电流产生的电磁力作用原理,在国内率先实现了炸药的磁驱动无冲击压缩实验技术。通过对负载电极、炸药样品参数的优化设计和安装工艺的控制,实现了5 GPa载荷内JO-9159炸药的磁驱动准等熵压缩加载。基于激光位移干涉测量技术和Lagrange数据处理方法,获得了JO-9159炸药的速度响应历史和准等熵压缩线。所得结果与文献数据进行了比较,结果表明,在实验压力范围内,JO-9159炸药的等熵压缩线与PBX9501炸药的等熵压缩线一致。     

“聚龙一号”装置磁驱动准等熵压缩实验的一维磁流体力学模拟

国内首台多路并联超高功率脉冲装置"聚龙一号"(PTS)已被用于磁驱动准等熵实验研究,其分时分组放电特点为开展材料的动高压可控路径加载研究提供了便利.磁驱动准等熵实验的物理设计和结果分析需要依赖可靠的数值模拟平台.本文介绍了含强度计算的一维磁流体力学程序MADE1D的物理模型和程序特点,讨论了"聚龙一号"装置两种不同电流波形驱动条件下准等熵实验的模拟情况.结果显示,MADE1D程序能够较好地反映电磁力引起的压缩波在样品内部的产生、传播及发展过程,计算获得的"样品/窗口"界面速度同实验测量结果符合较好.分析发现,电流波形是影响加载过程的重要因素.对于目前使用的带状电极,电流上升率不宜超过40 k A/ns,否则可能在厚度1.2 mm以上的铝样品中产生冲击.     

爆轰驱动固体套筒压缩磁场计算及准等熵过程分析

采用构形磁流体力学计算程序SSS/MHD对炸药爆轰驱动固体套筒压缩磁场实验进行了一维磁流体力学模拟计算, 得到空腔磁场以及样品管内壁速度随时间的变化历程, 分别与磁探针和激光干涉测量的实验结果符合. 由分幅照相结果阐述了套筒压缩空腔磁场过程中的屈曲失稳和Bell-Plesset不稳定性现象. 分析了样品管和套筒中的磁扩散、涡流和磁压力的变化规律. 结果表明, 由于聚心运动下样品管和套筒的运动速度不同、电磁力和内爆作用力平衡等原因, 样品管内靠近磁腔处的磁场、涡流和磁压力均高于套筒内距磁腔相同位置处的结果. 讨论了样品管内距磁腔0.05 mm处的熵增随该点压缩度的变化, 最大熵增与样品管材料定容比热的比值在10%左右, 爆炸磁压缩实验过程的等熵程度较高.     

为实现准等熵压缩的波阻抗梯度飞片的实验研究

采用粉末冶金方法,制备出波阻抗沿厚度方向呈特定分布的WMoTi体系梯度飞片,在二级轻气炮上进行了梯度飞片击靶实验的初步研究.结果表明,利用梯度飞片可以实现对靶样品的准等熵压缩,击靶后产生的波阵面是平缓、连续上升的,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面,靶面压力峰值最高达到了167GPa.波阻抗按二次函数分布的梯度飞片能够获得最佳的击靶波形 关键词： 波阻抗梯度飞片 准等熵压缩     

40GPa压力范围内铜和铝的准等熵压缩线

 基于自行研制的磁驱动准等熵压缩加载实验装置CQ-1.5,利用全光纤位移干涉仪（Doppler Pins System, DPS）、激光速度干涉计（Velocity Interferometer System for Any Reflectors, VISAR）两种测试手段,以及反积分数据处理方法,实验测量了40 GPa压力范围内T1铜、LY12硬铝和L1纯铝3种材料的准等熵压缩线,将实验准等熵压缩线与基于Grüneisen状态方程的理论等熵压缩线和冲击Hugoniot线进行了比较。结果表明,在该压力范围内,实验准等熵压缩线与理论等熵压缩线相一致,两者偏差小于3%;实验准等熵压缩线靠近冲击Hugoniot线,位于其下方,与国外文献发表的结果相同,进一步表明,实验测量结果正确可靠。     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

磁场准等熵驱动飞片技术原理性实验研究

 探索了磁场准等熵驱动飞片发射的实验技术,在FP-1装置上成功实现了多种尺寸飞片的驱动实验,并利用VISAR系统获得了飞片的速度历史曲线。在回路放电峰值为3 MA的情况下,获得飞片最高速度为797.3 m/s。初步获得了准等熵加载的原理性技术及其基本原理,促进了磁驱动准等熵加载、发射飞片实验技术,以及后续的物态方程研究的开展。     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

磁驱动飞片发射实验结构系数初步研究

为了确定磁驱动飞片发射实验结构系数的范围、影响因素、结构系数与影响因素的关系,对聚龙一号装置上的磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明,磁流体力学程序能正确模拟聚龙一号装置上各个磁驱动飞片发射实验;磁驱动双侧飞片发射实验的结构系数为0.7～0.8;磁驱动单侧飞片发射实验的结构系数为0.80～0.85。磁驱动飞片发射实验的结构系数与实验加载电流无关,仅由磁驱动飞片发射实验的负载结构决定。磁驱动飞片发射实验的结构系数取决于阴阳电极极板的初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙以及阴阳电极上飞片厚度之和等三个因素。在磁驱动飞片发射实验中,电极初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙不变的情况下,结构系数由阴阳电极上飞片厚度之和确定,阴阳电极上飞片厚度之和越大,结构系数越大。     

磁驱动准等熵加载下Z切石英晶体的折射率

基于CQ4脉冲功率实验装置开展了Z-切石英晶体在磁驱动准等熵加载下的窗口折射率修正关系研究. 实验中采用激光波长1550 nm的双源光外差测速仪测量获得了LiF窗口和Z-切石英晶体窗口与不同厚度极板界面的粒子速度. 利用反积分方法由实验测得的LiF窗口与极板界面粒子速度计算得到了极板的加载磁压力历史; 以获得的磁压力为输入条件, 采用LS-DYNA计算软件正向计算得到石英晶体窗口与极板界面的真实粒子速度历史. 由实验获得的Z-切石英晶体窗口/极板界面表观粒子速度和计算得到的真实粒子速度, 获得了Z-切石英晶体弹性极限内的连续的折射率修正关系, 将其折射率修正关系的适用压力范围拓宽至14.55 GPa. 表观粒子速度与真实粒子速度关系采用线性拟合时, 折射率修正关系为n=1.087 (± 0.008)+0.4408ρ/ρ₀, 与冲击数据拟合的结果一致. 由折射率实验数据对Z-切石英晶体的极化率分析认为, 在其弹性极限压力范围内加载路径和温度对折射率的影响可以忽略.     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以"阳"加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向[100])窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E.Fratanduono,Y.Ma,B.J.Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统(PDV,1550nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以阳加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向［100］)窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550 nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50 GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E. Fratanduono, Y. Ma, B.J. Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统 (PDV, 1550 nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。     

整形激光加载的一维准等熵压缩仿真

基于凝聚态物质等熵线推导了理想等熵假设前提下的加载压力和加载激光波形,进而将其作为输入条件,利用辐射流体力学程序MULTI开展了Al材料的一维准等熵压缩仿真,通过材料温度、压强、密度、粒子速度和熵增五个参量描述了准等熵加载的物理过程。结果显示得到了高等熵程度加载过程,可为即将开展的整形激光加载的准等熵实验提供参考。     

“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置聚龙一号上的151发次磁驱动370 m厚铝飞片实验、164发次磁驱动330 m厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明：370 m厚铝飞片和330 m厚铝飞片的磁驱动过程中, VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。     

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370 m厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334 ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334 ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340 ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。     

二维磁驱动数值模拟程序MDSC2的验证与确认

为了对磁驱动实验提供高置信度的数值模拟,需要开展磁流体力学程序的验证与确认。采用人为解比较法、网格收敛性研究和与成熟程序比较等方法,对二维磁驱动数值模拟程序MDSC2进行了程序验证。数值模拟表明：MDSC2程序正确地表示了磁流体力学模型,其中热扩散、磁扩散的离散格式具有二阶收敛精度。采用与磁驱动实验相比较的方法,进行了MDSC2程序的确认。对聚龙一号装置上的PTS-061发次磁驱动单侧飞片发射和PTS-122发次磁驱动双侧飞片发射实验进行了模拟,模拟的飞片自由面速度与实验测量的飞片自由面速度相一致;对FP-1装置上的固体套筒实验进行了模拟,模拟的套筒内外半径与实验测量结果相一致。MDSC2程序能正确模拟磁驱动单侧飞片发射、磁驱动双侧飞片发射和磁驱动固体套筒等磁驱动实验。     

利用多层阻抗梯度飞片产生准等熵压缩的理论解析

基于冲击波理论对多层阻抗梯度飞片击靶过程波系的相互作用做了理论分析，计算表明在多层阻抗梯度飞片的撞击下，样品的压缩线是一组通过不同初始状态点的冲击压缩线的连线, 它位于冲击压缩(hugoniot)线与等熵压缩线之间. 所以通过飞片层数的设计,可获得介于冲击压缩线与等熵线之间的任意状态点,这就为以后偏冲击压缩(off-hugoniot)状态方程的实验研究提供了理论参考. 实验测量的样品/窗口界面速度与理论计算的一致性支持上述结论的可靠性与准确性. 关键词： 准等熵压缩 多层阻抗梯度飞片 理论解析