爆轰驱动的多流体系统数值模拟及应用研究

爆轰是武器物理研究的重要内容，它的发生、发展与传播是一个复杂过程，本项目拟研究爆轰驱动下多流体（多相流与多介质）的一些重要的问题，包括冲击与起爆条件下多相流的动力学行为，以及强冲击下多介质大变形流体的演化。主要内容：（1）研究剪切或冲击作用下多流体系统的细观结构的形成与演化，以及非均质材料的宏观流体力学与热力学的建模；(2)研究移动网格与无网格的耦合算法，它的动态连接方法研究，利用这种耦合算法模拟强冲击下多介质大变形流体的演化；（3）研究相应的复杂状态方程的Riemann问题，以及它的高效高精度的迭代算法；（4）利用获得的研究成果，以及有关的实验数据，模拟钝感炸药的冲击起爆，不断改进物理建模与数值模拟方法。本项目的完成将推动复杂多相流体系统建模、强冲击下多介质流体的演化的数值模拟方法的发展，获得的研究成果将为爆轰与冲击动力学实验和材料选取及武器物理研究提供重要的参考价值。

本项目主要在四个方面开展了相关的研究工作。.1.构造了反应流的移动网格上动理学格式。利用BGK模型的Chapman-Enskog展开可以得到流体力学方程组，这里利用BGK模型推导了含化学反应的流体力学方程组，它通过在模型方程中增加自由度的途径可以实现，并利用含化学反应的方程组积分形式构造了移动网格上离散格式,再利用自适应移动网格方法得到网格速度, 最后利用时间精确的动理学数值方法构造数值通量, 从而得到移动网格单元上新的物理量.由于化学反应区结构的复杂性，这种格式充分考虑含化学反应的流体的特点，结合移动网格方法，很容易提高格式的分辨率。 一维与二维的数值实验表明这种格式具有高精度、高分辨率的特点..2. 研究了可压LB模型在爆轰流体模拟中的应用。LB（LatticeBoltzmann）方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型；现代版的LB Model (LBKM) 植根于非平衡统计物理学的基本方程—Boltz mann 方程。这里主要研究单松弛因子和多松弛因子LBKM 构建的统一理论，介绍其在非平衡与多相复杂系统研究方面的应用。简单列举LB 在多相流、可压流、材料动理学等方面的进展，重点介绍使用LB 研究流体界面不稳定性、燃烧等问题的工作。通过研究发现，LB方法不仅适用可以用于可压缩流体问题，通过宏观量研究系统的非平衡行为、可以提供系统偏离热力学平衡引发的宏观效应是LBKM 建模优越于宏观连续介质建模的地方；这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进（例如修正项的构造）提供物理参考。.3.研究了爆轰驱动的多相流体系统演化的数值模拟方法。本项目内容之一研究了有限体积格式框架下的数值方法，主要涉及有混合单元物理量的构造、界面数值通量的设计、网格的移动策略以及反应率函数的建模等，具体地讲研究了混合单元的物理量的构造。基于化学反应区反应物与产物的状态量与反应进程量的关系，构造混合物状态方程的近似表达式，得到混合物声速、温度与压力等物理量，这是复杂状态方程数值模拟的难点。然后根据混合单元的物理量，设计高效、稳定的迭代方法，求解反应区的多相流的黎曼问题，构造数值通量。.4.研究方法初步应用最后将研究成果应用于钝感炸药的数值模拟，特别是模拟含JWL类状态方程的反应流体问题，得到一些初步的结果。