金属材料界面不稳定性数值模拟

The interface instability in metal material is a complex physical problem with compressible, multi-material, multidiscipline crossing features. It has urgent application requirement in the national defence industry. This project is planned to employ direct numerical simulation to research the interface instabilities in metal material loaded by explosion, impact or other loading fashions. The main research contents include algorithms design of interpolation in the cell and numerical flux calculation at the boundaries of the cell that filled with multi-material with different equations of state and different constitutive models, research on high resolution technique to treating moving interface through combining level set method and adaptive mesh refinement technique, and numerical simulation analysis for properties of the interface instability in metal materials. The numerical analysis results of the current project will reveal the effects of characteristics of initial perturbation, processing of loading, strength of material and other important parameters on development and revolution principles of interfacial perturbation in metal material. It is helpful to improve the understanding on effect factors and mechanism of the interface instabilities. It has important application value on related experiments conduction and design and new theory based weapons exploration. It is also a leading subject in hydrodynamics and explosion and impact dynamics fields with important scientific significance.

金属材料的界面不稳定性是一个可压缩、多介质、多学科交叉的复杂物理问题，具有迫切的国防应用背景。本项目采用数值模拟方法研究金属材料在爆轰、冲击等加载方式作用下界面的不稳定性演化，主要包括不同状态方程和不同本构模型的金属材料在混合网格内的插值和格边处通量计算的算法设计研究，结合level set和网格自适应技术的高分辨率界面处理技术研究，金属材料界面不稳定性特性的数值模拟研究。本项目的研究结果将揭示初始扰动特征、加载过程、材料强度等参量对金属材料界面扰动发展演化的影响规律，有助于提高对金属材料界面不稳定性影响因素和机理的认识，对指导和设计相关金属材料界面不稳定性实验，探索新原理武器等有重要应用价值，也是流体力学和爆炸与冲击动力学的前沿课题，具有重要科学意义。

金属界面不稳定性及材料混合是一种典型的跨尺度多物理复杂流动现象，受热动力学剖面与几何边界（宏观）、金属界面初始扰动（介观）和材料物性（微介观）三类因素的共同控制，普遍存在于高温、高压等极端环境下的爆炸与冲击过程中，如武器物理、天体物理等，具有重要的研究价值。本项目主要通过理论分析和数值模拟，建立了金属界面不稳定性数值模拟方法，研制了专用的计算程序研制，开展了金属界面不稳定性演化发展规律等特性的数值模拟研究，并通过数值计算初步进行了强度介质界面不稳定性实验设计研究。本项目取得了如下重要研究结果：（1）将非线性本构模型和变压力加载方式应用于金属材料界面不稳定性线性稳定性分析，从理论上发展了线性稳定性分析方法。对于金属材料界面不稳定性非线性阶段，基于欧拉方法和多物质界面捕捉方法Level Set方法，研制了适用于多种物质、强冲击、大变形的复杂流体动力学问题数值模拟研究的程序，并成功应用于冲击动力学问题和爆轰加载问题的数值模拟；（2）对于金属材料界面不稳定性问题，开展了多种因素界面失稳和扰动增长规律研究，主要包括初始扰动振幅、初始扰动波长、初始平板厚度、材料强度等。结果表明金属界面不稳定性在早期存在一个线性增长阶段，在相同的加载条件下，金属界面不稳定性与初始扰动振幅、扰动波长以及平板厚度密切相关，扰动增长存在截止初始振幅、截止厚度以及增长率最大波长，材料屈服强度对金属界面不稳定性增长的抑制作用显著；（3）根据对金属界面不稳定性问题的认识，设计了一类冲击加载下由金属材料自由面宏观缺陷引起的界面失稳、喷射和破碎实验，并通过数值模拟研究了这类金属材料自由面宏观缺陷的喷射规律。给出了铜材料自由面上Chevron、SineWave、Rectangle和Square四种典型宏观缺陷扰动下界面失稳、破碎和喷射现象，通过数值模拟定量比较了其不同的特征和差异性，为后续开展实验研究奠定了理论基础。