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可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

物理学报 2018年第8期67卷 10-20页

作者：李德梅赖惠林许爱国张广财林传栋甘延标福建师范大学数学与信息学院福建省分析数学及应用重点实验室福州350117 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心北京100084 北华航天工业学院廊坊065000

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couett... 详细信息

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.

关键词：离散Boltzmann方法 Rayleigh-Taylor不稳定性可压流体动理学模型

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爆轰加载下锡金属连续层裂损伤机理的数值分析

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高压物理学报 2017年第3期31卷 280-285页

作者：张凤国王裴胡晓棉邵建立周洪强冯其京北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094

结合实验对所采用的计算程序和损伤模型进行验证,在此基础上开展了爆轰加载下锡材料连续层裂损伤机理研究。结果显示:锡靶板的破坏模式与加载强度、加载波形以及靶板的几何结构相关;材料初始微结构的作用反映在对临界截止孔隙度的影响上... 详细信息

结合实验对所采用的计算程序和损伤模型进行验证,在此基础上开展了爆轰加载下锡材料连续层裂损伤机理研究。结果显示:锡靶板的破坏模式与加载强度、加载波形以及靶板的几何结构相关;材料初始微结构的作用反映在对临界截止孔隙度的影响上,进而影响靶板的损伤破坏;损伤模型中临界截止孔隙度越大,靶板的破坏程度越小。此外,材料拉伸、压缩损伤的计算结果与相应实验结果的对比显示,材料的损伤主要以拉伸损伤破坏为主。

关键词：爆轰驱动微层裂数值模拟锡

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惯性约束聚变内爆中三维辐射流体力学对称格式研究

惯性约束聚变内爆中三维辐射流体力学对称格式研究

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第十届全国流体力学学术会议

作者：章明宇郭少冬北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京应用物理与计算数学研究所

惯性约束聚变过程中通过激光照射黑腔形成辐射场,从而压缩靶丸。由于辐射场的非均匀性和靶丸加工工艺限制等因素,使得靶丸内爆压缩过程不能保持理想的球一维性。惯性约束聚变过程中,靶丸内爆压缩具有明显的三维特征。由于实验测量受限,... 详细信息

惯性约束聚变过程中通过激光照射黑腔形成辐射场,从而压缩靶丸。由于辐射场的非均匀性和靶丸加工工艺限制等因素,使得靶丸内爆压缩过程不能保持理想的球一维性。惯性约束聚变过程中,靶丸内爆压缩具有明显的三维特征。由于实验测量受限,以及三维内爆过程不具有理论解析解,数值模拟成为研究惯性约束聚变中靶丸内爆过程的重要研究手段。惯性约束聚变中靶丸内爆过程的数值模拟采用笛卡尔坐标系。辐射流体力学采用支撑算子格式求解。该离散格式可以处理强非线性和强间断的辐射流体力学问题。并行策略采用的是区域分解加线性并行。由于离散误差的存在,靶丸内爆强压缩过程会放大离散误差。在均匀辐射压缩条件下,三维数值模拟结果不能保持球一维性。在非均匀辐射压缩条件下,数值模拟结果仍然存在离散误差放大引起的非物理现象。为了消除离散误差放大引起的非物理现象,本研究提出了一种保持球一维对称性的支撑算子格式。在球的三维经纬网格上,对支撑算子格式进行修正,保证压力梯度、辐射流具有球一维对称性。对靶丸内爆压缩过程均匀压缩和非均匀压缩的情况进行了三维数值模拟。计算结果表明,本研究提出的保球一维对称性的支撑算子格式可以很好地消除离散误差放大引起的非物理现象。该离散格式将被应用于惯性约束聚变中靶丸内爆过程的三维数值模拟研究。

关键词：辐射流体力学三维内爆过程对称格式数值模拟

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离散玻尔兹曼方法模拟流体吸放热现象

离散玻尔兹曼方法模拟流体吸放热现象

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中国力学大会（CCTAM 2019）

作者：林传栋许爱国中山大学中法核工程与技术学院清华大学燃烧能源中心北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室

流体吸放热现象广泛存在于自然界和各类工程应用之中。在热流演化过程中,流场和吸热(放热)过程相互耦合,表现出复杂的流体动力学和热力学非平衡效应,并且往往涉及从分子碰撞到大窝结构的多尺度演化过程。其中的小尺度、快模式、非平衡... 详细信息

流体吸放热现象广泛存在于自然界和各类工程应用之中。在热流演化过程中,流场和吸热(放热)过程相互耦合,表现出复杂的流体动力学和热力学非平衡效应,并且往往涉及从分子碰撞到大窝结构的多尺度演化过程。其中的小尺度、快模式、非平衡等复杂行为往往对传统连续、平衡或近平衡模型的物理合理性提出挑战。本文介绍的离散玻尔兹曼方法(DBM),除了将适用范围拓宽到Navier-Stokes不再有效的更深程度非平衡区域,还可提供与我们关注的宏观流动关系最密切的部分热力学非平衡信息与效应。同时,该方法具有演化方程形式简单统一,在模拟中方便实现不同非平衡程度建模之间的切换。DBM在流体吸放热方面的应用研究,为此类复杂物理问题的深入理解提供了全新的分析视角和研究手段。

关键词：吸热流体放热流体离散玻尔兹曼方法多尺度非平衡

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非平衡放热流体的离散玻耳兹曼方法研究

非平衡放热流体的离散玻耳兹曼方法研究

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中国核学会2019年学术年会

作者：林传栋许爱国马宇中山大学中法核工程与技术学院广东珠海519082 北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中，尤其是在核能工程中，是一种非常重要的常见物理现象.放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构，并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为，这往往使得传统模拟... 详细信息

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中，尤其是在核能工程中，是一种非常重要的常见物理现象.放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构，并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为，这往往使得传统模拟方法的适用性面临挑战.传统宏观方法对非平衡效应显著的区域经常存在物理描述能力不足的问题，而微观粒子方法往往由于计算资源的限制难于模拟足够时空尺度的系统.本文构建并使用的离散玻耳兹曼方法(DBM)主要就是针对这一中间尺度(非平衡程度、连续程度)的流体行为.DBM自然继承了玻耳兹曼方程描述和测量非平衡物理系统的部分功能，不仅能够在连续性极限条件下得到与宏观控制方程一致的结果，还能够有效延伸至传统宏观控制方程失效时的更强非平衡区域.同时，该方法具有演化方程形式简单、易于编程处理、稳定性好、适用于并行化处理等优势特点.DBM在非平衡放热流体的应用研究，将有助于从微介观尺度深入理解非平衡物理系统的本质机制和特征规律，并且能够为传统计算方法的改进提供可靠的数值参考和理论支撑.

关键词：放热流体爆轰非平衡效应离散玻耳兹曼方法介观模拟

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基于大规模第一原理分子动力学的炸药感度评估方法与应用

基于大规模第一原理分子动力学的炸药感度评估方法与应用

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2018第十二届全国爆炸力学学术会议

作者：张蕾余一姜胜利陈军中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京应用物理与计算数学研究所北京100088 国家计算物理重点实验室北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京应用物理与计算数学研究所北京100088 国家计算物理重点实验室北京应用物理与计算数学研究所北京100088

炸药晶体的撞击/冲击感度控制机制是炸药领域一直以来的挑战。实验上可采用落锤试验测试撞击感度h50％,但h50％值严重依赖实验设备。如报道的BTF炸药的h50％值从21 cm到50 cm,CL-20/TNT的h50％值从30到99 cm,因此,比较不同实验条件下测... 详细信息

炸药晶体的撞击/冲击感度控制机制是炸药领域一直以来的挑战。实验上可采用落锤试验测试撞击感度h50％,但h50％值严重依赖实验设备。如报道的BTF炸药的h50％值从21 cm到50 cm,CL-20/TNT的h50％值从30到99 cm,因此,比较不同实验条件下测量的h50％值往往有误导作用。冲击波感度可以用小格板试验测试Pg0,可靠性高,但实验难度较大。当前仅有少量炸药有该性能测试结果,不利于应用于新型合成炸药的感度评估。尽管撞击感度与冲击感度的作用时间(前者为250μs,后者小一个数量级)及产生压强(前者约10 kbar,后者高一个数量级)不同,但普遍认为二者有极好的相关性,均为热致分解而非压力导致的化学反应。因此,评估炸药感度的关键在于力刺激作用下首步化学反应的动力学过程预测。

关键词：多尺度模拟 CL-20共晶动力学过程化学反应触发

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爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律

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物理学报 2017年第7期66卷 326-334页

作者：殷建伟潘昊吴子辉郝鹏程胡晓棉北京理工大学机电学院北京100081 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094 中国工程物理研究院研究生部北京100088

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,... 详细信息

研究了冲击波加载弹塑性材料扰动自由面的动力学演化过程,分析了高能炸药爆轰驱动时初始扰动与材料性质对扰动增长的影响.研究结果表明:初始扰动的振幅与波长之比越高,扰动越易增长,强度越高的材料扰动增长幅度越小;扰动增长被抑制时,尖钉的最大振幅与增长速度无量纲数之间存在线性近似关系,进一步理论分析表明尖钉的振幅增长因子与加载压力、初始扰动形态和材料强度有关,该理论关系作为扰动增长规律的线性近似在一定范围内适用于多种金属材料.

关键词：扰动增长弹塑性固体材料性质

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复杂流动过程中的多尺度与非平衡行为研究:超越Navier-Stokes的动理学建模与模拟

复杂流动过程中的多尺度与非平衡行为研究:超越Navier-Stokes的动...

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第十一届全国软物质与生命物质物理学术会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088

在自然界与工程领域存在大量形式各异的复杂流体系统(常温常压下的固体材料在爆轰或强冲击下也表现出复杂的流动行为)。物理建模与算法设计是数值实验研究中缺一不可的两个环节。物理建模层面的误差是无法通过算法精度提高来弥补的。本... 详细信息

在自然界与工程领域存在大量形式各异的复杂流体系统(常温常压下的固体材料在爆轰或强冲击下也表现出复杂的流动行为)。物理建模与算法设计是数值实验研究中缺一不可的两个环节。物理建模层面的误差是无法通过算法精度提高来弥补的。本报告从物理学角度思考各种不同尺度、不同粗粒化程度物理建模之间的区别与互补。宏观流动层面的非平衡(HNE,Hydrodynamic Non-Equilibrium)通常使用对应质量守恒、动量守恒和能量守恒的流体动力学方程组(Hydrodynamic equations)来描述。流体动力学模型的物理精度在很大程度上取决于本构关系的合理程度。非线性本构关系动理学机理的理解要求研究与宏观流动关系最密切的热动非平衡(TNE,Thermodynamic Non-Equilibrium)行为。

关键词：非平衡物理建模 Navier-Stokes方程 Boltzmann方程复杂物理场分析

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从物理学视角看非平衡流动研究:基于DBM建模

从物理学视角看非平衡流动研究:基于DBM建模

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中国交叉科学学会第17届学术年会

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088

本文概述我们课题组近十年来在非平衡流动物理建模与模拟方面的思考与进展。

关键词：

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辐射输运与电子能量强耦合源项的一种高效计算方法

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计算物理 2017年第3期34卷 253-261页

作者：李若李蔚明宋鹏北京大学数学科学学院科学与工程计算系北京100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088

本文研究辐射输运和电子能量耦合方程组的数值方法.在具有光性厚特征的应用问题中,这两类方程的耦合源项表现出强刚性,使得设计稳健高效的数值格式陷入困难.针对辐射输运多群模型和电子能量的耦合方程组的刚性源项,我们给出一种基于电... 详细信息

本文研究辐射输运和电子能量耦合方程组的数值方法.在具有光性厚特征的应用问题中,这两类方程的耦合源项表现出强刚性,使得设计稳健高效的数值格式陷入困难.针对辐射输运多群模型和电子能量的耦合方程组的刚性源项,我们给出一种基于电子温度变化规律拟设(ansatz)的积分算法,其时间步长不受刚性源项限制,从而使得计算效率比传统显式方法或隐式非线性迭代获得本质的提高.在所基于的拟设有效时,算法确保给出具有物理意义的解,数值算例显示其给出的解具有较高的精确度.

关键词：辐射输运多群模型耦合刚性源项

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