爆炸与冲击问题高精度计算方法及软件的验证与确认

This project will carry out high precision algorithm research, verification and validation of the software for the numerical simulation of explosion and impact problems in the fields of weapon design and civil security. The main research contents as follows: (1) Developing high precision finite difference scheme for solving strong discontinuity problems of explosion and impact; (2) Studying the mathematical models and interface algorithms for multi-material interaction with high pressure ratio and density ratio; (3) Based on the independent development simulation software for explosion and impact problems, realizing the above algorithms to program, and verification for the developed software by contrasting the numerical results with exact solution and artificial solution; (4) Studying and testing on typical explosion and impact problems, such as shock wave propagation and its interaction with structures; (5) Based on the validation of the software through precision physics experiments, improving the software’s calculation precision and solving ability for practical engineering problems. It will provide scientific evidence and technical support for weapon design and explosion incident prevention and rescue in civil security field.

本项目针对武器弹药设计及民用安全领域中各类复杂爆炸与冲击问题的数值模拟，开展高精度计算方法研究及软件的验证与确认等工作，主要研究内容包括：（1）爆炸与冲击强间断问题的高精度计算格式研究；（2）高密度比、高压力比气体、液体和固体等多介质相互作用的数学模型及界面处理算法研究；（3）基于自主开发的爆炸与冲击问题仿真软件平台，实现上述方法和算法的程序化、模块化和嵌入，通过精确解比较方法、人为解比较方法等，验证方法和软件；（4）开展爆炸冲击波在不同介质中的传播规律及其与（复杂）结构相互作用等典型爆炸与冲击问题的精细实验研究；（5）对软件进行精密物理实验确认，进一步拓展软件对实际问题的计算精度和求解能力，从而为我国武器弹药的设计及民用安全领域爆炸事故的预防与救援提供科学依据和关键技术支撑。

爆炸与冲击问题的数值仿真是提高武器弹药研制和爆炸灾害预防救援水平的重要和有效手段，发展相关数值模拟技术并进行验证与确认，对提升武器装备建设能力保护国家经济建设安全具有重要意义。本项目针对各类复杂爆炸与冲击问题，开展了高精度、高分辨率计算方法及其验证与确认研究，具体工作包括：爆轰模拟的WENO方法研究，采用人为解技术通过二维算例验证了求解器正确性，改进点火增长反应率模型，对水下爆炸等问题的模拟获得与实验一致的冲击波走时图像，验证了模型有效性；将PPM方法应用于RM界面不稳定性等问题模拟，所得混合区宽度与实验观测结果一致，统计分析给出的湍动能对波数的-5/3幂律也与湍流理论相符，进一步基于变形梯度张量构建了五波结构HLLD局部黎曼求解器，设计了弹塑性问题高精度PPM格式，通过若干一维、二维可压缩弹塑性问题模拟，充分验证了相关方法的有效性和正确性；建立了伪弧长理论与方法，通过将物理空间间断处无穷大斜率变换到弧长空间有限斜率，使物理空间网格随物理量自适应变化，能较好地捕捉强间断，也在膨胀稀疏波区域加密网格，既保证效率又提高了精度，通过精确解、人为解等手段验证了伪弧长方法有效性；针对流固耦合问题提出一种基于输运规则的浸入边界法，采用有限体积和有限元分别求解流体和固体部分，对耦合边界，首先预估无固体的流体流动，然后通过一组输运步骤进行校正，该方法可保证质量守恒，通过一维和二维刚体和弹性体流固耦合算例检验了方法的正确性；提出了单因素、单过程的分解性精密实验和多因素、多过程的综合性精密物理实验相结合的爆炸与冲击计算软件验证与确认方法与流程，以凝聚高能炸药为重点，针对炸药起爆、爆轰波传播、冲击波传播以及爆轰产物驱动做功等典型而重要的爆炸与冲击问题，设计开展了圆筒、平面冲击起爆等典型分解性精密实验和大平板和近场水下爆炸等典型综合性精密实验，获得关键测试数据，这些实验和数据可作为其他爆炸冲击方法及软件验证与确认的基准。