强汇聚压缩下气体-金属微粒多重耦合相互作用及混合特征

In weapon physics, when the shock wave releases from the surface of the metal, a large number of metal particles can be produced, and then enter into the gas, which will induce the gas particle two-phase flow (ejection mixing). The implosion process is directly affected by the ejection mixing, and it even leads to the failure of performance. This project aims at the interactions of thermo dynamics between metal particles and gas, under the condition of strong converged geometry and high compression. The studies of modeling, discrete algorithm, physical laws and key mechanism will be carried out. The main research contents include: the theoretical analysis and calculation of the structure of converged configuration; the establishment of gas particle thermo-dynamics interactions; the development of suitable stress model for high temperature, high pressure and large shrinkage ratio conditions; the algorithm applicable to moving quadrilateral mesh; the model of metal layer collecting dense particles will be proposed and the corresponding numerical methods will be devised; the transport properties and dominant mechanisms will be revealed by simulation and analysis. The expected results of the project, will not only promote the new development of multiphase flow subject, but also will be helpful for understanding the weapon physics phenomena and optimizing the engineering designs.

武器物理中，当冲击波从金属表面卸载时，将产生大量喷射金属微粒进入气体，诱发复杂气粒两相混合流动（喷射混合），直接影响内爆压缩过程，甚至导致性能失效。本项目拟针对强汇聚高可压缩条件下，喷射金属微粒与气体的热动力学相互作用问题,开展理论建模、离散算法、物理规律和关键机理研究。主要研究内容包括：理论分析与计算强加载汇聚构型流场的结构特征，建立气粒相间力、热耦合相互作用模型；发展适用于高温高压大收缩比条件下的高浓度颗粒相应力模型，给出基于运动可变形四边形网格上的模型求解算法；提出稠密微粒群与运动金属飞层双向作用的物理模型，并设计稳定有效的计算方法；结合数值模拟和理论分析，获得气粒演化输运规律，揭示决定混合状态的关键因素及物理机制。本项目的预期研究成果，不仅在复杂条件下多相流理论模型和数值计算方法方面有所发展和突破，而且可以为深入理解武器物理现象、优化相关工程设计等，提供理论及数值模拟支撑。

武器物理中，当冲击波从金属表面卸载时，将产生大量喷射金属微粒进入气体，诱发复杂多相混合流动（称为喷射混合），是内爆压缩科学领域的前沿和热点问题。喷射混合问题涉及气体-颗粒系统多重耦合相互作用，迫切需要开展相适应的可计算建模以及机理规律分析。本项目主要研究内容及重要结果如下：获得了汇聚压缩条件下气体-金属颗粒混合流场的基本热动力学特征，建立了相适应的气粒相间力、热耦合相互作用模型；关于颗粒间作用模型，基于内爆动力学特征分析，对颗粒相应力唯象模型进行扩展，给出单调性分析，耦合进入可压缩颗粒轨道模型。设计了一般四边形网格上保持归一性的颗粒相应力梯度离散算法，标准算例验证了稀疏-稠密-密实堆积模拟的有效性；针对金属液滴撞击固壁问题，发展了光滑粒子方法（SPH），实现了表面张力以及撞壁过程中的边界粒子标号更新等的稳定计算，并通过验证。运用SPH方法针对金属液滴撞壁行为开展了细致数值模拟分析，发现液滴入射动能是影响金属液滴撞壁行为的关键因素，当液滴入射动能较低时，液滴表现为铺展，更高的入射动能决定了更大的铺展半径，在相同入射动能条件下液滴最大铺展半径主要由黏性决定，随着液滴黏性增加，液滴最大铺展半径减小，表面张力影响液滴铺展速率，对液滴最大铺展半径影响不大。当液滴入射动能较高时，液滴发生飞溅，液滴入射动能和液滴黏性增加均会导致二次液滴飞溅质量分数和飞溅动能比例的增加。进一步结合数值模拟与实验数据分析，给出了适用于金属液滴撞壁的飞溅判别准则和阈值条件，获得了重质液滴和轻质液滴飞溅判据差异及规律；最后，在多重耦合相互作用模型集成的基础上，对汇聚压缩条件下的气粒演化输运规律进行分析，获得了不同阶段的规律性认识，以及不同阶段主导混合演化的物理因素。本项目的研究成果对于深化武器内爆流体动力学混合现象的物理认知提供了重要支撑，同时拓展和丰富了多相流体力学学科的研究领域和研究方向。