可压缩颗粒多相流的高精度数值模拟方法研究

The compressible granular flows subjected to the explosive or shock loadings are fundamental with regard to the ordnance aerophysics, inertial confinement fusion and industrial safety. The non-linear and strong coupling interactions between the shock waves and particles, particles and particles, as well as the fluids and particles entail a formidable challenge for modeling the compressible granular flows and developing the corresponding high-resolution scheme..Based on the hybrid-mesh two-fluid model, this project is to derive a compressible solid-gas multi-phases flow model which incorporates the discreteness of particles. Consisting of the pressure of particle phase compliant to the constitutive laws of granular ensembles in different regimes, and the unsteady momentum and energy coupling terms between phases, this model is capable of simulating the transition of the granular phase from one regime to another using an universal set of governing equations. The numerical solution of the equations starts from the characteristic analysis of the model with special attention focused on the treatment of the non-conservative interphase coupling terms. A robust, high-resolution scheme with low dissipation and non-oscillation is necessary to present the accurate spatial evolutions of the volume fraction. The combination of the granular multi-phase flows model accounting for particles across different regimes and the corresponding high-resolution numerical approaches renders a plausible access to the complex physics underlying the high pressure; high speed granular flows, meanwhile providing an effective and potent numerical tool to solve the related engineering problems.

爆炸和冲击流场中的可压缩颗粒多相流问题在武器物理、惯性约束聚变和工业安全等领域具有广泛的研究背景。强冲击波与颗粒、颗粒与颗粒、以及颗粒与流场之间的非线性强耦合相互作用，使得可压缩颗粒多相流的物理建模和数值方法研究面临极大的挑战。本项目拟在混合网格双流体模型的基础上，建立体现颗粒离散性的可压缩气固多相流模型。通过建立反映不同流型范畴内颗粒相本构的固相压强模型，以及包含稳态和非稳态交换项的动量和能量两相耦合模型，使得该模型可以采用统一的形式描述颗粒相在不同流型范畴间的演化过程。基于所发展的可压缩颗粒多相流模型方程，发展具有保正性质的高精度数值方法，克服传统多相流方法精度低、健壮性差的不足。本项目拟发展的物理模型和计算方法可适用于不同流型范畴的颗粒多相流问题，为大尺度工程应用中的高速可压缩颗粒多相流模拟提供有效的模型和算法支撑，有重要理论意义和应用背景。

本项目针对武器物理、高性能弹药设计和国防安全中的可压缩多相流问题背景，建立了跨流态可压缩多相流计算方法（CMP-PIC)，并自主开发相关的高精度并行计算软件。CMP-PIC充分综合了颗粒轨道、MP-PIC、DEM以及双流体模型优势，在控制方程层面以及波系特征方面具备渐近特性，保证跨流态乃至全流态模拟合理性。该模型方程在颗粒稀疏时可以合理的退化为颗粒轨道模型，并在稠密流态与双流体模型等价。验证CMP-PIC方法及程序的有效性经过了一维、二维及三维可压缩多相流场的试验验证。为了提供跨流态可控的可压缩多相流实验平台，本项目设计并搭建了准二维的多相爆炸流场实验系统。该系统创新的将爆轰管与Hele-Shaw cell相结合，前者在Hele-Shaw cell中产生超压和波形可控的柱面冲击波，后者提供了准二维爆炸流场的约束条件，便于利用PIV技术进行流场观测。此外该装置实现了压力场测量和颗粒尺度流动细节捕捉的同步，为研究爆炸多相流场提供了更为丰富的实验诊断手段。借助CMP-PIC方法和实验研究手段，本项目重点研究了爆炸流场中颗粒体系的流动稳定性问题，发现了颗粒物质独特的Richtmyer-Meshkov失稳(RMI)演化规律，与经典的RMI扰动成长规律迥异，颗粒物质的界面失稳与颗粒体系的冲击压实/膨胀过程密切相关，进而建立了颗粒微观流动与宏观界面失稳的耦合模型，揭示了颗粒尺度的相间耦合对于宏观流动失稳的控制机制，甄别出影响失稳结构和成长规律的关键无量纲参数。以上研究成果为突破与可压缩多相流相关的国防/国家安全领域的技术瓶颈提供了保障，同时也推动了对于极端条件下多相多尺度体系演化的研究范式的转变。