冲击与爆轰相关的复杂、多相流体系统研究

本项目发展格子玻尔兹曼方法、物质点方法和复杂物理场的描述与分析技术，研究多相或复杂结构材料在冲击与爆轰条件下的动力学行为。主要内容与技术路线如下：（1）构造多松弛因子格子玻尔兹曼模型，研究剪切或冲击作用下多相分离、多相混合等复杂流动过程；（2）构造合理高效的物质点接触算法，研究冲击与爆轰条件下固体特征向流体特征的转化过程；(3)发展复杂流场中特征结构识别和描述方法，归纳其演化规律。本项目的完成将推进复杂多相流体系统介观建模、模拟技术、分析和描述方法的发展；获得的物理规律将有助于理解非均质炸药起爆机理、含缺陷材料的老化、损伤过程，为冲击动力学实验和材料选取、制备提供参考信息。

本项目发展了基于统计物理的格子玻尔兹曼方法和物质点方法，获得了一系列冲击与爆轰相关的复杂流动过程中的特征、机制和规律，创立了一套复杂构型和动态物理场的描述方法和分析技术，这套技术适用于各种大规模粒子模拟的数据处理与分析。具体如下：（1）构造并发展了一个多松弛因子格子玻尔兹曼模型；（2）构造并使用温度自适应格子玻尔兹曼模型细致研究了等温与非等温相分离、混合等复杂流动过程；（3）将形态分析技术应用于相分离过程数据分析，给出相分离过程中亚稳相分解和相畴增长两个阶段的合理判据及一些基本的标度关系；（4）构造了一个合理高效的物质点接触算法，在冲击与爆轰条件下固体特征向流体特征转化方面获得一些新的认识和规律；（5）借助格子玻尔兹曼模型，发展出一套复杂流体系统非平衡效应的检测、描述方法；（6）构造出一个爆轰格子玻尔兹曼动理学模型；在冯 • 纽曼峰附近发现一系列传统流体模型所不能描述的非平衡效应、特征、机制和规律；（7）应用物质点方法，结合微观分子动力学模拟，开展了延性金属损伤增长演化的微介观数值模拟研究。在本项目的执行过程中，动力学和热力学非平衡效应是研究的重点。其中，工作（2）被收录PRE Kaleidoscope做永久展示；工作（3）被收录EPL Highlights of 2012； 工作（5）首先在我们的综述文章[Xu, et al, Front. Phys., 2012, 7(5): 582–600]中作为一个新思想生长点出现，然后在工作（6）中得到进一步展开；工作（6）（7）为在圆满完成既定研究计划的基础上所做的扩展研究。工作（6）第一次将格子玻尔兹曼模型推广应用于爆轰领域，为研究爆轰过程中的热力学非平衡效应开启了大门。本项目执行期间共发表研究论文25篇，四次在国际会议做邀请报告（其中一次为格子玻尔兹曼领域历史最悠久的DSFD2013）、三次获科技创新或技术进步奖（计算物理国家级重点实验室科技创新奖两次、北京应用物理与计算数学研究所技术进步奖一次）。模型和方法方面的工作推动了复杂多相流体系统介观建模与模拟技术的发展；微介观结构特征、非平衡特征及其效应方面的新认识推进了复杂系统和非均质炸药起爆动理学过程的理解。物质点模拟所获结果有助于理解材料断裂和动态损伤前期的一些特征和规律。在课题执行过程中，2名博士后、4名博士生、4名硕士生通过参研而获得培养。