一维磁流体动力学程序SSS-MHD研究和实验构形模拟计算

摘要

由脉冲强电流流经导体电极板产生的平滑上升的磁压力对平面固体样品材料进行准等熵压缩加载，是具有重要应用前景的崭新实验技术。炸药爆轰驱动圆柱形金属套筒内爆运动，压缩其内部预置的初始磁场，在轴线附近区域达到极高磁场和磁压，是对低密度材料进行（柱形）高压等熵压缩的主要手段，也是国内新开拓的实验领域。以爆炸或冲击电流为原动力的多种多样的磁驱动、磁压缩实验技术，已成为当代高能量密度物理领域的主要加载手段之一。
　　这类实验的特点是必须考虑作为负载的实验样品构件与传输结构及外电路的电磁相互作用，而且实验中只能使用先进的无接触、高精度光电测量技术，其设计涉及到样品构形形状、几何尺度和加载波形及时间的确定，其数据处理必须根据可测定的样品表面数据去推演样品内部的物理场分布。因此，磁驱动、磁压缩实验的数值模拟必须采用基于多物理过程的基本方程组，多介质、多空腔的样品构形以及与外电路实时耦合计算，才能给出满足设计和实验分析所需要的数据。这类实验的加载手段、电磁传输、光电测量和数据反演以及样品自身的力学、物理和化学过程，其多物理数值模拟计算必须包括爆轰作用、流体弹塑性、等离子体物理、磁流体力学和辐射流体力学。国内现已发表的有关磁流体力学计算基本上只限于磁流体力学方程组本身，缺少计算多空腔（力学空隙与真空磁腔）的功能，往往借助于实验测量的负载电流作为加载条件，不能从给定外电路参数起算，这样的计算不够完备，预示能力不足。对于完整的实验构形磁流体力学计算来说，存在磁场的真空力学腔也是一种“介质”，其力学运动直接影响到电路的变化，并且力学样品与电磁学负载合二而一，只有解决了这两个关键问题，才能通过样品力学构形的动态电感计算与集中参数外电路进行实时耦合，实现这两种差别很大，但又互相耦合的物理过程的自洽计算。
　　本文根据磁流体力学基本方程组，对一维弹塑性反应流体动力学编码SSS进行了拉格朗日坐标下磁流体力学计算功能的扩展，针对各种一维的Z或θ实验构形，实现材料动力学、反应流体动力学和磁流体力学的一体化计算，并且较好地解决了计算模型与外电路方程组的实时耦合计算问题，不需要提供实验负载电流作为输入数据。使用本文编制的SSS-MHD编码，对磁驱动实验中平面样品的准等熵压缩过程、磁驱动高速金属飞片、爆炸磁通量压缩实验中内爆圆柱套筒的磁聚积过程和对样品管的准等熵压缩过程，进行了系统的数值模拟研究，得到了与多种实验测量数据较好符合的负载电流历史和样品表面速度历史，并且给出了样品内部压力、密度、温度和熵增的分布曲线。
　　本文的组成分为7章。第1章为绪论;第2章为磁驱动、磁压缩实验的研究现状;第3章为磁驱动、磁压缩实验原理、装置、测量技术和数据处理;第4章为弹塑性反应磁流体力学编码SSS-MHD研制;第5章为磁驱动准等熵压缩平面样品和磁驱动高速飞片的磁流体力学计算;第6章为内爆圆柱套筒磁通量压缩实验的磁流体力学计算;第7章为总结与展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的选题背景和研究目的及意义

1．2 本文研究内容

1．3 本文工作的创新点

1．4 今后预期工作的展望

第二章 国内外磁驱动、磁压缩实验研究现状

2．1 磁驱动准等熵加载实验技术和装置

2．1．1 冲击大电流装置

2．1．2 爆炸磁通量压缩发生器

2．2 磁驱动加载实验研究现状

2．2．1 磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验

2．2．2 内爆圆柱套筒磁通量压缩实验

2．3 磁驱动和磁压缩实验构形的磁流体力学计算

2．3．1 国外研究现状

2．3．2 国内研究现状

第三章 磁驱动、磁压缩实验原理、装置、测量技术和数据处理

3．1 磁驱动、磁压缩实验的基本原理

3．1．1 本文磁驱动和磁压缩的概念

3．1．2 磁驱动平面准等熵压缩或发射飞片实验原理

3．1．3 爆炸磁通量聚积发生器准等熵压缩实验原理

3．1．4 磁压力计算公式

3．1．5 导体中磁扩散的影响

3．2 理论等熵压缩线和熵增的计算

3．2．1 理论等熵线的表述

3．2．2 熵增的计算

3．3 磁压驱动下压缩波的传播

3．3．1 固体介质中的声速

3．3．2 平滑上升压缩波传播的简单波理论

3．3．3 压缩波转变为冲击波的时空位置

3．4 流体物理研究所的磁驱动和磁压缩装置

3．4．1 CQ-1．5和CQ-4装置

3．4．2 MC-1装置

3．5 磁驱动和磁压缩实验的测量技术

3．5．1 磁驱动和磁压缩实验测量技术特点

3．5．2 在CQ-1．5和CQ-4装置上进行磁驱动实验的测试技术

3．5．3 在MC-1装置上进行磁压缩实验的测试技术

3．6 磁驱动准等熵压缩平面样品实验的数据处理方法

3．6．1 平行实验样品表面速度历史数据的Lagrange分析

3．6．2 流体动力学方程组的反积分法

第四章 弹塑性反应磁流体力学编码SSS-MHD研制

4．1 一维弹塑性—磁流体力学方程组

4．1．1 Euler坐标系中的弹塑性-磁流体力学方程组

4．1．2 磁扩散方程

4．1．3 一维方程组的形式

4．1．4 Lagrange坐标系中的基本方程组

4．2 SSS编码的磁流体力学扩展

4．2．1 SSS-MHD的基本方程组

4．2．2 SSS-MHD编码的离散格式

4．3 SSS-MHD中的关键问题处理

4．3．1 物态方程处理

4．3．2 爆轰反应流动计算

4．3．3 空(磁)腔

4．3．4 样品MHD构形和物性描述

4．3．5 电阻率计算

4．4 与外电路的耦合计算

4．4．1 集中参数外电路

4．4．2 边界与外电路的耦合方式

4．4．3 磁场边界条件

4．4．4 磁扩散与电路方程的耦合

4．5 SSS-MHD编码的结构和功能

4．5．1 SSS-MHD编码计算流程图

4．5．2 主要变量

4．5．3 输入数据文件

第五章 磁驱动准等熵压缩平面样品的磁流体力学计算

5．1 磁驱动准等熵压缩平面样品的计算模型

5．2 铝样品准等熵压缩实验的计算

5．2．1 铝样品的计算模型的参数与指数

5．2．2 纯铝样品计算结果与实验测量结果的比较

5．2．3 铝样品内部磁场的变化和分布

5．2．4 铝样品中速度和压力分布

5．2．5 磁扩散速度与压力波传播速度的比较

5．2．6 铝样品中密度和温度分布

5．2．7 铝样品中电流密度和焦耳热分布

5．2．8 铝样品中熵增的变化

5．2．9 加载面处的磁压力历史

5．3 磁驱动高速铝飞片实验的计算

5．3．1 磁驱动高速铝飞片的计算模型和参数

5．3．2 高速铝飞片计算结果与实验测量结果的比较

5．3．3 高速铝飞片中密度和温度分布

5．4 钽样品准等熵压缩实验的计算

5．4．1 钽样品的计算模型参数与指数

5．4．2 钽样品计算结果与实验测量结果的比较

5．4．3 钽样品中密度和温度分布

5．4．4 钽样品中速度和压力分布

5．4．5 钽样品中熵增的变化

5．4．6 不同阻抗样品／电极板情况下的压力剖面和磁场演化

5．5 炸药样品准等熵压缩实验的计算

5．5．1 炸药样品准等熵压缩实验的意义

5．5．2 炸药样品的计算模型和参数

5．5．3 炸药样品计算结果与实验测量结果的比较

5．5．4 炸药样品内部物理量的分析

5．5．5 炸药样品的准等熵压缩线

5．6 电流波形的影响因素分析

5．6．1 外电路集中参数对电流波形的调节

5．6．2 空腔宽度对电流波形的影响

5．6．3 构形动态电感对电流波形的影响

第六章 内爆圆柱套筒磁通量压缩实验的磁流体力学计算

6．1 MC-1实验装置的结构和预置磁场

6．1．1 MC-1实验装置的结构参数

6．1．2 初始磁场的产生

6．2 无初始磁场时外套筒内爆运动的计算

6．2．1 SSS和SSS-MHD两种编码计算内爆运动结果的比较

6．2．2 内爆运动计算结果和实验结果的比较

6．2．3 物态方程种类对内爆运动计算结果的影响

6．3 内爆套筒磁通量压缩的计算

6．3．1 内爆套筒磁压缩实验的计算模型和参数

6．3．2 内爆套筒的反转半径

6．3．3 空腔轴向磁场计算

6．3．4 样品管内壁表面速度历史计算

6．3．5 磁压缩过程中套筒和样品管壁物理量的分析

6．3．6 外套筒反转半径影响因素的讨论

第七章 总结与展望

7．1 主要研究结果

7．1．1 弹塑性反应磁流体力学编码SSS-MHD研制

7．1．2 磁驱动准等熵压缩平面样品和磁驱动高速飞片的磁流体力学计算

7．1．3 内爆圆柱套筒磁通量压缩实验的磁流体力学计算

7．2 论文创新点

7．2．1 SSS-MHD编码研制

7．2．2 应用于MHD实验构形的计算

7．3 下一步工作展望

7．3．1 本文不足之处

7．3．2 对编码的完善和不同类型磁流体力学实验的推广计算

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参加学术交流情况