强冲击下金属-气体界面的喷射与混合过程研究

Ejection may occur when a strong shock wave releases at the free surface of metal material, and the fine spray of particles ( ejecta ) will be further mixed with the surrounding gas under the gaseous environment. Ejecta production and its mixing process is a complex multi-scale and multi-factor dynamical behavior. At present, the physical mechanisms and dynamical rules are still not clear, especially due to the lack of systematic numerical methods and tools. This project will develop the micro and macro numerical methods and joint technical analysis tools for the research of ejecta production, perform the systematic research on the effect of surface micro-defect and loading waveform in respect to the material states before and after the melting, obtain the physical mechanisms and dynamical rules of ejection, and establish the theoretical prediction model applied to the codes for fluid dynamics. This project will develop the numerical methods for dilute/dense two-phase flow and the algorithms for their dynamic conversion, establish the models for the aerodynamic deformation, breakup and inter collision of high-speed metal droplets, achieve the simulation and analysis abilities for the whole process of the ejecta production and mixing under implosion, and obtain the characteristics of mixing and its effect on the compression of the implosion device. This project will obtain a number of pioneering results in impact dynamics, multiphase flow and other fields. These achievements have an important significance for understanding the interfacial failure and mixing under extreme conditions, while providing the numerical tool and physical basis for the important engineering research.

当强冲击波从金属自由表面卸载时，通常会产生微物质喷射现象，气体环境下，微喷射物质与气体将进一步发生混合。微喷射及其混合过程是跨尺度、多影响因素的复杂动力学行为。目前，国际上对其中的物理机制和动力学规律认识尚不清晰，尤其缺乏系统性的数值模拟手段。本项目研究将发展微喷形成过程的微观和宏观数值模拟方法和联合分析技术，针对材料熔化前后两种状态，开展表面微缺陷和加载波形影响的系统性研究，获得微喷物理机制和动力学规律认识，建立理论预测模型并应用至流体动力学程序；发展稀薄、稠密两相流及动态转换算法，以及高速金属液滴的气动变形破碎、颗粒间碰撞作用等模型，建立内爆微喷混合全过程的数值模拟分析能力，获得混合演化规律及其对内爆压缩过程的影响。本项目研究将在冲击动力学、多相流体力学等领域取得一批原创性成果，对于理解极端条件下的界面破坏和混合行为具有重要意义，同时为重要工程研究提供数值模拟手段和物理认识基础。

对于高能量密度驱动内爆压缩装置，当冲击波从金属自由面卸载时将发生微喷射现象，形成大量细小高速金属微粒进入气体产生混合，将对装置性能产生重要影响，在惯性约束聚变研究中具有重要应用背景。该问题是在高温高压高收缩比极端条件下发生的跨尺度、多物理复杂动力学过程，研究具有很强的挑战性。本项目系统地研究了强冲击波从金属自由表面卸载时产生的微喷射及其与气体混合的物理现象，包括金属冲击破碎的宏观与微观数值模拟方法、可压缩多相流体动力学方法、冲击作用下金属界面微喷形成的物理机制与理论模型，平面及汇聚压缩条件下细小金属微粒与气体混合物理规律等，取得一批原创性成果：获得了强冲击下金属表面微喷射的主导物理机制，初步建立了冲击下载下金属固相-固液混合-液相等不同相态区间的微喷射理论模型；揭示了金属表面片状射流失稳破碎的阶段性物理过程、破碎金属颗粒的尺度分布规律，理论结果获得典型实验验证；建立了高速细小金属微粒与气体多相混合的理论模型，发展了可压缩多相流模型算法和程序，获得了平面及汇聚压缩过程中金属微粒与气体混合的时空演化规律；建立了冲击作用下从微喷射形成到气粒混合全过程的一整套数值模拟与理论评估能力，为重要工程研究提供了全新的数值模拟手段与科学的物理认识支撑。本项目研究同时推动了冲击动力学、流体力学、计算数学等学科的交叉融合发展，培养了一支积极探索、理实交融的研究队伍，2018年度获批国家国防科技创新团队（基础研究领域）。