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作者

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蓝宝石动态损伤的时间演化特性研究

蓝宝石动态损伤的时间演化特性研究

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：操秀霞周显明李加波赵万广中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室

采用时间分辨的高温计技术和DPS系统,本文测量了蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究。当冲击压力在41～48GPa压力范围,实测r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达53GPa时,... 详细信息

采用时间分辨的高温计技术和DPS系统,本文测量了蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究。当冲击压力在41～48GPa压力范围,实测r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达53GPa时,则呈现出两段不同的线性增长特征,并且后者增长速率明显高于前者,表现出急剧增长行为。结合实测蓝宝石的粒子速度剖面结果,得到整个观察时间内蓝宝石仅受到沖击压缩波作用,并未受到二次压缩波或者飞片后界面发射的稀疏波的影响。由此推测,实测光辐射信号与蓝宝石在冲击压缩下的动态变形有关,光辐亮度值出现突然急剧增长,表明蓝宝石中可能产生了具有时间延迟的剧烈破坏现象。进一步的压力和晶向相关性研究结果显示,此剧烈破坏现象的弛豫时间随压力的增加而变短,并且r切样品比m切更长。此外,在相近压力下,实测m切样品的光谱辐亮度值明显高于r切样品,表明m切蓝宝石的冲击透明性比r切样品更差,不同于Kanel等预测m切蓝宝石透明性最好的结论(***.106,043524(2009)。

关键词：蓝宝石单晶冲击发光动态损伤

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基于三维物质点法的微颗粒高速碰撞问题研究

基于三维物质点法的微颗粒高速碰撞问题研究

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：刘岩刘平张雄清华大学航天航空学院北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

空间碎片对航天器的发射和在轨安全飞行有着重要影响。即使是微米级碎片或微流星体,其对航天器结构表面和功能部件的连续高速撞击可能导致航天器性能下降甚至失效。高速碰撞问题由于具有很强的几何非线性、材料非线性和边界条件非线性,... 详细信息

空间碎片对航天器的发射和在轨安全飞行有着重要影响。即使是微米级碎片或微流星体,其对航天器结构表面和功能部件的连续高速撞击可能导致航天器性能下降甚至失效。高速碰撞问题由于具有很强的几何非线性、材料非线性和边界条件非线性,可能产生结构的断裂破碎,甚至出现材料的熔化和汽化,因此很难进行单纯的理论与实验研究,且实验研究也难以完全复现近地轨道环境,甚至不能达到所要求的速度条件。本文基于近年来迅速发展的物质点法,利用本研究组自主研发的三维物质点法仿真软件MPM3D,对微颗粒高速撞击平板问题进行了系统研究。物质点法综合了拉格朗日描述和欧拉描述的优势,有效克服了传统Lagrange型和Euler型网格类方法求解高速碰撞问题时的巨大困难,较之其他类型的无网格法具有极高的效率,非常适合求解高速碰撞问题。本文详细研究了单颗粒和颗粒群的正撞击以及不同角度的斜撞击等,通过大量的算例得到撞击结果在不同撞击速度、不同撞击角度下的变化规律。在单颗粒撞击的研究中,得到了与已有试验结果吻合较好的计算结果,给出了不同撞击参数下的坑体形貌、破坏形式、坑体尺寸的变化规律。在颗粒群撞击的研究中,给出了不同情况下的坑体形貌模式,并对坑体尺寸变化规律进行了详细分析,构建了理论公式。研究结果充分验证了物质点法求解高速撞击问题的有效性,对空间碎片防护结构的设计具有指导意义。

关键词：高速碰撞物质点法空间防护微颗粒

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充液多孔泡沫铜动态吸能特性实验研究

充液多孔泡沫铜动态吸能特性实验研究

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：张晓伟王彦莉陈利张庆明北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

泡沫材料以其超轻的相对密度、优良的抗冲击和爆炸性能被广泛应用于防护工程中。在低速冲击条件下,该材料利用其较长的抗压缩行程能够起到很好的缓冲作用。但是当受到高速冲击时,其能量吸收能力仍然不够理想,因此主要被用作填充和芯层... 详细信息

泡沫材料以其超轻的相对密度、优良的抗冲击和爆炸性能被广泛应用于防护工程中。在低速冲击条件下,该材料利用其较长的抗压缩行程能够起到很好的缓冲作用。但是当受到高速冲击时,其能量吸收能力仍然不够理想,因此主要被用作填充和芯层材料。根据泡沫材料的微结构特点,可分为闭孔泡沫和开孔泡沫材料,后者又称为多孔材料。为了进一步改善多孔材料的吸能特性,将粘性液体填充入多孔材料的孔隙中,利用内部流体在材料孔隙间的高速流动来增加能量耗散的效果,这种复合材料不但可以保持中低速冲击条件下多孔材料优良的缓冲特性,而且能大大提高结构面临高速冲击的吸能效果。对于泡沫材料力学行为的研究,国内外学者已经开展了大量的工作。Gibson和Ashby总结了多孔固体力学性能方面的研究成果,但主要集中在对泡沫材料准静态力学行为。近些年来,众多学者对泡沫材料在动态载荷作用下的力学行为及其机理也进行了大量的研究。为了提高泡沫材料的吸能能力,Vesenjak等人将硅胶和气体填充入多孔材料中,通过实验和数值计算研究了填充物对材料吸能特性的提高。Dawson通过理沦方法分析复合材料板中间芯层填入液体后,对爆炸防护性能的影响。Deshmukh和Mckinley研究了侵入磁流变液后开孔泡沫材料的能量吸收行为。Schraad和Harlow提出了计算含流体的多孔材料动态力学行为的多相分析方法。尽管如此,对于液体填充的多孔材料动态力学行为的研究还并不多见。本文以多孔泡沫铜为对象,选取三种不同孔径的多孔泡沫铜,分別对其充入不同粘度的甘油溶液,制备出了充液多孔泡沫铜材料。通过高应变率条件下的动态压缩实验,研究了充液、液体粘性、孔洞尺寸和应变率等因素对材料能量吸收性能的影响规律。结果表明,液体的存在在不改变多孔材料低应变率条件下优良缓冲效果的条件下,能够明显提高材料承受高应变率载荷吋的吸能能力,并且随着应变率的提高,这种提高效果越明显。

关键词：泡沫铜动态力学行为多孔材料吸能特性

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主动围压下钢纤维混凝土动态力学性能研究

主动围压下钢纤维混凝土动态力学性能研究

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：张磊郝龙项笑炎总参工程兵科研三所中国人民解放军南京军区建筑设计院美国工程技术联合公司南京代表处

混凝土的力学性能具有明显的静水压效应和应变率效应,其复杂应力状态下动态力学性能研究具有重要的工程应用背景和学术研究价值。受实验技术所限,目前实验研究主要局限于静态单轴和二轴应力状态以及一维应力和一维应变状态下冲击压缩实... 详细信息

混凝土的力学性能具有明显的静水压效应和应变率效应,其复杂应力状态下动态力学性能研究具有重要的工程应用背景和学术研究价值。受实验技术所限,目前实验研究主要局限于静态单轴和二轴应力状态以及一维应力和一维应变状态下冲击压缩实验,而三向应力状态下冲击压缩实验研究很少。本文利用大直径SHPB和自行研制的主动围压加载设备,对混凝土试件施加恒定的静水压载荷,然后轴向冲击压缩加载,系统进行了不同强度、不同钢纤维含量混凝土不同围压状态下的冲击压缩实验研究,获得不同应变率下应力一应变曲线。研究结果表明,混凝土力学性能受应变率和静水压状态影响明显。在相同围压条件下,混凝土轴向抗压强度随应变率的提高而增加,围压越高其增加的幅度越小。分别通过动态增长因子DIF(Dynamic Increase Factor)和围压增长因子CIF(Confine Increase Factor)表征应变率和围压对混凝土轴向抗压强度的影响,并结合实验结果建立的DIF和CIF的经验公式,能较好预测应变率和围压对混凝土轴向抗压强度的影响。修正了八面体应力空间的Bresler-Pister强度准则,使其能用于高应率条件下钢纤维混凝土强度预测,修正的Bresler-Pister强度准则与实验结果吻合较好。

关键词：分离式Hopkinson压杆 SHPB 主动围压钢纤维混凝土强度准则

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Interface instability analysis induced from the flow field in the initial nonuniform characteristics

Interface instability analysis induced from the flow field i...

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：柏劲松 WangTao National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics(LSD) Institute of Fluid Physics China Academy of Engineering Physics

We numerically simulate the previous instability experiments of double mode perturbed interface in the initial nonuniform flows in unreshocked case,the numerical results are in very good agreement with the experiment,meanwhile investigate the effect of the nonuniformity of flows on the evolution of instability in nonlinear regime after reshock,by adopting two different nonuniform coefficients（δ=0.6162, andδ=0.4961） in the Gaussian distribution of the initial nonuniform *** results indicate that the nonuniformity of the initial flow has great effect on the evolution of instability in the linear and weak nonlinear regime prior to reshock.

关键词： nonuniform flows Richtmyer-Meshkov instability mixing reshock

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可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理的直接数值模拟

可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理的直接数值模拟

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：王成韩文虎宁建国北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

本文建立了考虑粘性扩散和热传导的化学反应流体动力学的控制方程组,给出了能够描述火焰加速和爆燃转爆轰过程不同阶段的化学反应模型。采用9阶WENO格式离散对流项,10阶中心差分格式离散扩散项,三阶TVD Runge-Kutta格式对时间进行离散,... 详细信息

本文建立了考虑粘性扩散和热传导的化学反应流体动力学的控制方程组,给出了能够描述火焰加速和爆燃转爆轰过程不同阶段的化学反应模型。采用9阶WENO格式离散对流项,10阶中心差分格式离散扩散项,三阶TVD Runge-Kutta格式对时间进行离散,并研发出了高精度并行计算程序,解决了由于研究问题对网格与算法精度要求高所导致的计算时间和网格节点数占有资源非常庞大而带来的计算困难。采用研发的程序对可燃气体点火、低速层流火焰加速、爆燃转爆轰以及爆轰全过程的大规模数值模拟。针对火焰加速、爆燃转爆轰,首先,研究了不同膨胀比、马赫数、雷诺数下,光滑管道内的层流火焰的加速机理,得出了层流火焰速度的指数加速规律,与理论分析和实验结果基本吻合;研究了不同宽度的管道中爆燃到爆轰的转变过程,结果表明在窄管道中,边界层与火焰阵面前方压缩波相互作用是导致爆燃到爆轰转变的主要机制。其次,模拟了在带有障碍物的管道中火焰加速、爆燃转爆轰过程,结果表明当障碍物约束作用强时,火焰的加速率主要取决于障碍物的高度,随着约束作用的减弱,速度脉动和湍流度增强,进而引发快速地湍流燃烧,促使火焰超快加速,同时火焰中出现的热点和燃烧反应带,对于触发爆燃转爆轰具有重要的作用;对三维管道中层流火焰进行了数值模拟,发现了三维层流火焰更容易失稳,揭示了边界层中第三维方向湍流效应与涡管对能量的输运是导致火焰加速率增加以及爆燃转爆轰的上要机理。研究了不同反应动力学参数、横向尺度和初始扰动模式下三维爆轰的传播模式,揭示了触发螺旋爆轰的机理,发现了爆轰的不稳定性和高横向模态到最低橫向模态的转变是触发螺旋爆轰的主要原因。对于高度不稳定爆轰,螺旋爆轰的触发与初始扰动模式无关,仅依赖于爆轰的高度不稳定性以及管道的横向尺度;对于轻度不稳定爆轰,螺旋爆轰的产生不仅与爆轰的不稳定性以及横向尺度有关,而且依赖于初始扰动模式;对于稳定爆轰,爆轰保持初始模式传播。

关键词：火焰火焰加速爆燃转爆轰螺旋爆轰高精度计算

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NR算法在逆变器消谐中的应用研究

NR算法在逆变器消谐中的应用研究

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：夏林林吴开腾四川师范大学数学与软件科学学院内江师范学院四川省高等学校数值仿真重点实验室

特定谐波消除技术在行源滤波、变频调速装置、交流设备等工程实际有着广泛的应用,是抑制逆变器电源谐波的一项有效技术,它囚输出波形质量好、开关频率低等独特的优点备受重视.而这项技术的应用常涉及到求解消谐模型中的非线性方程组,所... 详细信息

特定谐波消除技术在行源滤波、变频调速装置、交流设备等工程实际有着广泛的应用,是抑制逆变器电源谐波的一项有效技术,它囚输出波形质量好、开关频率低等独特的优点备受重视.而这项技术的应用常涉及到求解消谐模型中的非线性方程组,所以实现消谐模型的实时解的关键,是寻找一种计算量较小且收敛快速的有效算法.目前众多专家、学者从不同角度研究了非线性方程组数值解法,其理论已经相当成熟,其中NR法是一种由积分公式推导的三阶收敛的两步迭代法,该方法具有计算时间短、占用存储资源少、运算量较小、易于实现并行运算等优点,对求解非线性方程组的有效性较高.由于NR法为求解非线性方程组的应用和推广奠定了基础,具有重要的理论意义和现实价值.所以将NR算法用于逆变器消谐问题能具有收敛速度快、精确度高等显著优点.首先,阐述了NR算法的优点,讨论了消谐技术的特点以及深入分析与研究逆变器消谐技术的发展状况与应用情况:其次,分析了NR算法的基本思想和理论状况,指明了该算法的有效性和正确性;再次,建立了逆变器消谐PWM数学模型,并在此基础上研究了消谐PWM非线性方程组的解决方法:最后,提出了把NR算法应用于逆变器消谐PWM模型中,通过数值仿真实验,与牛顿法作了比较和分析,发现该算法不仅迭代次数比牛顿法少,而且精确度也提高了许多,从而验证了该算法的高效性:因此,可以预见此类高阶收敛算法将成为逆变器消谐问题中有极大发展前景的算法.

关键词：特定谐波消除技术逆变器 NR算法 PWM模型牛顿法

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三维气相爆轰网格自适应算法

三维气相爆轰网格自适应算法

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：董新庄王成宁建国北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

爆轰是一种超音速流动现象,其阵面山以超音速传播进入未反应介质的前导激波和紧随其后的化学反应区构成。前导激波压缩流入阵面的未反应介质,使其温度升.高,在阵面后燃烧,放出的热量反过来支持前导激波自持地向前传播,即爆轰波。在爆轰... 详细信息

爆轰是一种超音速流动现象,其阵面山以超音速传播进入未反应介质的前导激波和紧随其后的化学反应区构成。前导激波压缩流入阵面的未反应介质,使其温度升.高,在阵面后燃烧,放出的热量反过来支持前导激波自持地向前传播,即爆轰波。在爆轰现象发现以后,许多学者已经做了大量的实验研究,而且也得到非常有价值的实验成果,然而,对于爆轰波的数值研究目前还大多停留在对二维爆轰结构的计算上。但是,大量实验证明,爆轰是一种三维现象,对于气相爆轰波,其波阵面均不平整,具有三维的网状胞格结构。因此,爆轰波的许多重要的结构特征不能从二维模拟得到,比如"拍波",螺旋结构等。在对三维爆轰波进行模拟时,由于用于描述爆轰波中化学反应的源项通常是刚性的,因此,为了揭示爆轰波的细微结构,计算中就需要有很高的网格精度,这使三维爆轰波模拟在时间和空间上的计算量非常庞大,需要耗费大量的汁算资源。网格自适应方法通过对计算域进行局部加密,提高局部区域解的精度和分辨率。对于计算量庞大的三维气相爆轰波,网格自适应方法能够有效的提高计算效率,节约计算资源。因此,开展三维气相爆轰网格自适应算法的研究,对于深入研究爆轰波在各种不同的条件下的传播机理和结构特征具有十分重要的意义。本文设计了一种基于高精度WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)差分格式的网格自适应方法。在数值模拟中,时间上采用TVD Runge-Kutta方法进行离散,空间离散采用五阶的WENO格式。在对细分网格的处理中,本文采用五阶WENO插值方法将粗网格上的数据映射到细分网格上,构造细分网格计算数据。同时采用Hermite插值得到构造虚拟网格的数据,采用上述处理方法,能够有效提高细分网格的计算精度。采用物质组分分数作为细分判据,能够有效的捕捉到爆轰波阵面后的化学反应区。利用自行开发的气相爆轰高精度网格自适应计算程序,研究一维、二维和三维气相爆轰波。首先,对不同过驱因子的一维脉冲爆轰波的稳定性进行了系统研究,通过与加密网格的计算结果对比可以发现,网格自适应结果与均匀加密网格的计算结果吻合很好,而计算时间只是加密网格的三分之一。对二维爆轰胞格结构进行研究,比较了加密网格与网格自适应的计算时间,网格自适应所用的计算时间约为加密网格的六分之一。最后,对三维气相爆轰波阵面结构在不同宽度的矩形长直管道和不同初始扰动方式下的传播模式进行了比较系统深入的研究。

关键词：网格自适应 WENO 气相爆轰过驱因子

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Study on the flame propagation and gas explosion in propane/air mixtures

Study on the flame propagation and gas explosion in propane/...

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第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：刘庆明 ZhangYun-ming NiuFang LiLei State Key Lab of Explosion Science and Technology Beijing Institute of Technology

The characteristics of flame propagations and gas explosions in propane/air mixtures were studied in a 1.16 m explosion chamber with two quartz glass windows of 250 mm *** outward propagations of the spherical flame were recorded by the Schlieren system and high speed motion analysis *** pressure and temperature histories of the explosion process were measured by pressure sensors and platinum-rhodium thermal couples of 0.02 mm diameter mounted on the wall of the experimental *** instabilities of the propane air flame with different equivalence ratio flame were observed and the critical radii of flame instability onset were *** laminar burning velocities of propane air mixture were obtained by analyzing the experimental results of Schlieren system by using outwardly propagating spherical *** variation of laminar burning velocity with equivalence ratio was studied Pressure and temperature responses of the gas explosion were obtained and *** variations of the maximum overpressure and the maximum temperature with equivalence ratio were obtained and discussed. In propane/air mixture with an equivalence ratio near 1.8,two explosions take places.

关键词： laminar burning velocity flame instability gas explosion

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激波诱导火焰界面失稳的时间尺度效应

激波诱导火焰界面失稳的时间尺度效应

引用

第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会

作者：蒋华董刚南京理工大学弹道国防科技重点实验室北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

当激波与具有初始扰动的气体密度界面相互作用时,由于界面密度梯度和激波本身压力梯度方向的不一致,会在界面形成斜压效应并产生涡量,进而促使RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定现象的发生,此时界面扰动将随时间而增长并最终促进不同密度... 详细信息

当激波与具有初始扰动的气体密度界面相互作用时,由于界面密度梯度和激波本身压力梯度方向的不一致,会在界面形成斜压效应并产生涡量,进而促使RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定现象的发生,此时界面扰动将随时间而增长并最终促进不同密度的气体之间的混合。上述现象在自然界和生产实践活动中频繁出现,相关研究具有重要的理论和应用价值。当有初始扰动的界面为预混火焰面时,除RM不稳定过程本身外,化学反应的存在也会同时影响界面扰动增长行为。本文针对预混火焰RM不稳定过程,提出了确定RM不稳定时间尺度和化学反应时间尺度的方法,并根据两个时间尺度的差异分析了激波诱导预混火焰界面失稳的特点和规律。RM不稳定时间尺度的确定在冻结流中进行,以排除化学反应的影响,其时间尺度表达为τ=1/（dl/dt）,其中l为表征RM不稳定过程的无量纲量,本文采用基于界面混合面积的方法来确定l,并以此确定不同发展时刻的τ;另一方面,本文根据一维层流预混火焰传播速度和火焰界面宽度的方法确定化学反应时间尺度,τ=W/S,其中W和S分别代表预混火焰的宽度和传播速度,根据一维Riemann问题获得的激波-冻结流界面作用过程可以确定不同条件下的τ。为分析时间尺度对反应性RM不稳定现象的影响,本文采用二维数值模拟的方法考察了Ma=1.7的入射激波及其反射波与初始扰动的预混火焰界面（初始振幅a=2.5mm,初始波长λ=10.0mm）的相互作用过程。研究结果显示,当入射激波与火焰界面作用后,τ<τ,此时界面扰动发展主要受RM不稳定过程控制;当一次反射激波作用后,τ和τ均有所变小,但扰动发展仍主要受RM不稳定过程控制;随着反射激波及火焰界面的多次作用,τ持续变小而τ则有所增加,此时界面发展逐渐由化学反应过程来控制。二维数值模拟的结果表明,采用提出的时间尺度手段研究预混火焰界面发展过程是合理和有效的。

关键词：预混火焰初始扰动化学反应界面扰动激波诱导入射激波尺度效应

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