电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台:SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据(或驱动电路真实数据)确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验(包括气体、液体、化合物和金属)提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。

反射率的数值反演

通过分析热流边界条件下的一维热传导过程,提出并实现了由后表面温度变化历史曲线反演前表面反射率变化历史曲线的数值方法。通过一维热传导的正向和反演计算过程,验证了反演程序的可靠性。对数值反演计算和实验测量两种方式得到的反射率曲线进行了对比,结果显示,两条反射率曲线在变化趋势上符合较好,初步验证了一维温度场中数值反演方法的可行性。

连续激光重复加载下30CrMnSiA钢的反射率

利用双光束反射率测量装置,研究了连续激光重复加载作用下30CrMnSiA钢金属材料的反射率变化特性。通过激光加载、冷却然后再加载到更高的温度的辐照试验与激光单次辐照的结果比较,发现二次加载时材料表面的激光反射率与样品表面首次加载时达到的最高温度所对应的反射率基本一致,只有达到并超过首次加载时样品曾达到的最高温度后,样品表面的反射率才会再次发生变化,且变化趋势与单次完整加载时的路径重合。这表明样品表面的反射率与其达到的最高温度有关,进一步的研究结果表明,样品达到的最高温度与样品表面在最高温度下产生的氧化反应层有关,而这一氧化层在冷却过程和再加载过程不变化。

反射率测量中的热辐射影响及其消除方法

反射率测量过程中,被激光加热的材料发出热辐射光,对探测器测量存在明显干扰,给测量结果带来了较大误差,该现象普遍存在于以往的测试工作中。通过深入分析热辐射特性,在反射率测量装置中加入透过波长不同于加载激光波长的探测器,探测热辐射在该透过波长下的光强信号,并利用比对法消除了反射率测量过程中的热辐射干扰,使高温段的反射率测量精度得到较大提高。

ICE自由面台阶靶数据处理的直接计算方法

斜波压缩台阶靶实验中,不同厚度界面粒子速度历史与材料压缩特性参数存在联系。然而利用普遍采用的数据处理方法无法直接获得该联系。本文中借助特征线理论在建立上述关联的基础上,实现未知EOS下斜波压缩流场的直接计算过程。经数值计算表明,该方法不仅在无强度效应数据处理中能够准确计算理论值,而且在含有强度效应数据处理中也能够较好地逼近理论值,并可在真实实验数据处理中获得与文献符合较好的结果。该研究可为探索具有较完整理论的强度效应数据处理方法提供新途径。

干涉式冲量摆测试装置及其双精度数据处理方法

将激光干涉法应用于冲量摆冲量测试中,分析了主要的测量不确定度,在测量过程中给出了相应的处理方法。在利用累计峰值个数来计算最大摆角的常规方法基础上,新增加了一套独立、互补的数据处理方法,使其具有双精度测试效果,结合这两种方法可扩大适用范围并提高了测量的可靠性。

气流环境下激光辐照金属能量耦合特性

在马赫数为0.5气流条件下,进行了激光辐照30CrMnSiA钢材料的温度测量实验。实验结果显示,材料的温升速率和上升最高温度在有气流环境下比无气流环境下明显下降。利用数值反演方法获得了气流条件下激光加载面样品材料实际吸收热流密度变化以及温度变化。与无气流条件下的数据对比可发现,相同温度对应的实际吸收热流密度在气流环境下大于无气流环境,该结果是由气流条件加速样品材料的氧化影响激光金属反射率所致。

表面气流环境下激光辐照碳纤维复合材料实验研究

以跨音速风洞为平台,开展了表面亚音速气流环境下,连续激光辐照碳纤维复合材料实验研究。研究表明,无气流时,喷出的热分解产物会降低激光能量透过率;有气流时,气流快速带走热分解产物,并对基体分解后裸露的碳纤维材料进行冲刷和剥离,加速了材料的烧蚀。表面亚音速气流的加载有利于激光对碳纤维复合材料的破坏,且马赫数越大越有利;在激光总能量不变的情况下,适当降低激光功率密度,延长激光作用时间,有利于激光对碳纤维复合材料的破坏。

纳秒脉冲激光烧蚀铝靶引起的冲击波特性研究

当材料受到强脉冲激光辐照时,由于能量沉积,靶表面物质将气化形成靶蒸气或等离子。介绍了时间分辨阴影照相技术,并利用该技术记录了脉冲激光与铝合金靶材相互作用后,等离子体冲击波传播的瞬态物理过程,分析了不同激光功率密度辐照下,等离子体冲击波传播特性,并利用冲击波Hugoniot关系得到了等离子冲击波状态随时间演化的规律。