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。

电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论

为提高聚能射流对炸药能量的利用率,结合电磁加载药型罩以及爆磁压缩发生器原理,提出一种电磁能与炸药联合加载药型罩的原理结构。联合加载分为两个阶段:第1阶段,电容器放电,在爆磁压缩发生器中形成初始磁通;第2阶段,炸药1爆轰,压缩磁场,电流增大,同时爆轰波传播至药型罩部分引爆炸药2,电磁力与爆轰压力共同压垮药型罩。结合炸药爆轰理论、传统PER射流成型理论以及电磁加载特性,建立电磁与炸药联合加载下药型罩射流成型的理论模型。利用理论模型计算?56 mm聚能装药在联合加载结构下的射流成型,并通过理论计算分析联合加载时序对联合加载射流成型的影响。计算结果表明:电磁与炸药联合加载能够增加成型射流的速度以及动能,提高聚能射流对炸药的利用率,并且优化联合加载时序能够进一步提高射流速度和动能;联合加载下射流动能相对传统聚能装药提升了34.5%,对炸药的能量利用率提高了36%。

圆柱型螺线管爆磁压缩发生器实验研究

本文简述了圆柱型螺线管爆磁压缩发生器的基本原理 ,并介绍了一种小型紧凑装置的参数设计 ,工艺要求和实验结果。该装置重约 7kg ,初始能量 1kJ ,在 0 .5 μH的负载上产生了 2 2 8 1kA的电流 ,电流放大倍数为 2 2 3倍 ,能量放大倍数为 12 5倍 ,电流上升时间为 37 7μs。

SF_6爆磁压缩发生器的高压绝缘实验研究

从理论上分析了两级爆磁压缩发生器运行时的电压分布 ,从实验上用 SF6作为绝缘介质解决了爆磁压缩装置运行时高压击穿的难题。对爆磁压缩装置的研究和类似高压绝缘的问题具有借鉴意义。

高增益螺旋形爆炸磁通量压缩发生器

从爆炸磁通量压缩发生器的工作原理和有效利用炸药能入手，探讨爆炸磁通量压缩发生器运行性能的影响因素和设计制造过程应注意的问题。

爆磁压缩装置经组合功率调节系统产生高电压的实验研究

介绍了以爆磁压缩装置为脉冲功率能源 ,经变压器和爆炸金属丝断路开关组合功率调节系统 ,在电阻负载上产生高电压的实验研究。实验结果为 :在 1 0 0 Ω水电阻负载两端得到了约 80 0 k V的高电压脉冲 ,脉宽约 1 0 0 ns。

活塞式磁通压缩发电机的研究

详述了一种活塞式磁通压缩发电机“减少电感以放大电流”的工作原理、实验室样机的基本结构和参数 (直径82mm、长约 1 5m)。现场实验结果和理论计算结果相当一致 ,均表明这种磁通压缩方式可实现化学能到电能的转换。分析并给出了电流放大的临界条件即 -dL/dt>R ,指出了试验样机设计和工艺中存在的问题 ,提出了新型磁通压缩发电机的结构模型 ,它将磁通压缩发电机的动力段和压缩段分离 ,增加了压缩段的直径 ,这样可得到较大的电流放大倍数 。

输出能量20kJ,脉宽10μs的爆磁压缩电流发生器实验研究

8- 6型爆磁压缩电流发生器由两级间接馈电式螺旋线圈及中心爆炸管电枢组成 ,前级进行能量放大 ,后级进行脉冲压缩及功率放大。多次实验表明 :8- 6型爆磁压缩电流发生器能在 5 μH电感性负载上产生约 10 0 k A脉冲电流及超过 2 0 k J能量 ,有效脉宽 10 μs。 8- 6型爆磁压缩电流发生器具有高输出能量及很好的稳定性 ,它在产生脉冲高电压应用领域具有广泛的前景。

MA量级螺线圈型爆磁压缩发生器

采用多分支螺线圈型爆磁压缩发生器数值模拟程序MFCG8-7进行理论模拟及参数优化,设计了EMG-125型螺线圈型发生器,并开展了实验研究。电感负载实验结果表明:EMG-125型发生器可以在25nH电感负载上输出大于3 MA脉冲电流,负载能量大于100 kJ,电磁能量放大50倍。

螺旋型爆炸磁压缩发生器的性能分析

在无损条件下，利用五段模型法详细地研究了间接馈电、螺旋型爆磁发生器的工作原理，分析了系统的能量放大系数和磁通量放大系数对装置结构参数的依赖关系，讨论了锥角、套筒与螺旋线圈的偏心率等对回路电流放大的影响。这些结论对间接馈电、螺旋型爆磁发生器的设计和实验结果的理解会有一定参考意义。

间接馈电柱-锥级联爆磁压缩发生器数值模拟

为了研究间接馈电、两级级联柱-锥构型的爆磁压缩发生器的物理特性,发展了描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序———MFCG(Ⅴ),并用其分析、计算了一系列模型。通过将计算结果与柱-柱构型的结果进行比较,表明了柱-锥构型更有利于功率放大:在同样的输出电流条件下,不仅爆磁压缩的时间缩短,而且输出功率也相应地增加。MFCG(Ⅴ)程序的建立以及相应的数值模拟结果有助于加深对柱-锥构型的爆磁压缩发生器物理过程的认识,并为实验设计提供参考。

轴线起爆螺旋型爆磁压缩发生器2维简化模型

应用Maxwell方程,建立了轴线起爆螺旋型爆磁压缩发生器(AMFCG)的2维简化理论计算模型。利用此模型,得出了AMFCG中简易磁通表达式,并将等效电路方程与磁通表示结合起来。选用3组不同的几何参数,模拟计算了金属爆炸管在爆轰驱动下的径向膨胀过程,给出AMFCG初始电感、输出电流随时间的变化过程,AMFCG内部磁压、爆轰压及磁场随时间的变化情况。

螺旋型爆磁压缩脉冲发生器电阻及磁通损失的数值计算

基于电流和磁扩散方程,讨论了螺旋型爆磁压缩脉冲发生器(MFCG)中的电阻与磁通损耗问题,将相关的接触电阻模型、欧姆电阻的趋肤效应与邻近效应模型具体应用到2维爆轰磁流体力学程序MF-CG-Ⅳ中,进一步完善了程序的物理功能。并选用美国德克萨斯理工大学简单绕制的螺旋型爆磁压缩脉冲发生器的实验结果对新增模块进行了考证,计算结果符合物理规律,且与实验测量吻合较好。

爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配调制电路

通过对以电容器替代爆磁压缩发生器的系统等效电路进行理论分析,对影响这种调制电路性能的关键问题及其解决方法进行了讨论。根据理论分析结果对调制电路进行了设计。在初步实验中,当用于去除电爆炸丝上附加电压的撬断开关保持断开时,变压器原边电流切断不彻底,电容负载上充电电压峰值为-264kV;保持其他电路参数不变,而使撬断开关在电爆炸断路开关断开过程中闭合时,变压器原边电流切断彻底,在相同负载上充电电压峰值为-374kV。实验结果验证了理论分析结果,并证明了采用这种调制电路能够实现爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配。

螺线型爆磁压缩发生器非Ohmic损失分析与放大率计算

根据螺线型爆磁压缩发生器等效电路模型,分析了非Ohmic磁通损失的主要影响因素,推导出其等效电阻计算公式,并将其代入数值计算程序中。利用该计算程序对某分段变螺距螺线型发生器进行了数值计算。结果表明,该计算程序能够较好地预测小型单级发生器的输出性能,同时验证了非Ohmic磁通损失模型的合理性。

射频爆磁压缩发生器等效电路分析

建立射频爆磁压缩发生器的辐射模型是采用等效电路法对其分析的难点.将射频爆磁压缩发生器的电容器和电感线圈分别作为辐射单元电偶极子和磁偶极子来考虑,建立了考虑装置自身辐射特性的辐射模型.在此基础上,建立了定子线圈分段结构的射频爆磁压缩发生器的电路方程并对其进行了数值模拟.数值模拟结果与实验数据对比表明,所建立的辐射模型和电路方程,能够正确描述装置的特性,可用于预测射频爆磁压缩发生器的行为和指导其工程设计.

基于磁通压缩技术的爆炸磁频率发生器的参数选择

爆炸磁频率发生器是一种结构简单、小型化的电磁脉冲产生和辐射装置。为了优化其性能,从数学模型入手进行研究,得出输出信号所满足的Bessel函数,分析了在不同电参数下输出信号的模式及电路中的能量分配。研究结果表明,当电感变化到初始值的1/e所需时间与初始载波频率的乘积较大时,发生器的输出信号为振荡模式,且二者乘积越大,载波频率越高,对其辐射越有利。

螺旋型爆磁压缩脉冲发生器2维磁流体力学数值模拟

基于任意拉氏-欧拉方法的2维磁流体力学程序APMFCG被用于简单绕制的螺旋型爆磁压缩脉冲发生器动力学过程的模拟,给出了德克萨斯技术大学简单绕制的爆磁压缩发生器数值计算结果,输出电流和线圈电感的模拟结果与实验测量基本吻合。该程序也用于研究由于种子电流的不同所导致的欧姆电阻非线性效应对爆磁压缩过程的影响,实验结果证明了该程序计算的可靠性。

高电感和高能量放大系数的MFCG的理论分析

根据爆炸磁通量压缩发生器（ＭＦＣＧ）的基本理论，计算了ＭＦＣＧ中非对称多分支螺线 管的电感、电阻和电流，并讨论了大电感螺线管和小电感负载的运行性能。通过增加 ＭＦＣＧ的初始电感 以增加其对负载电感的比值，是获得高能量放大系数的一个有效方法。增加螺线管段数和导线并联分支 数，可得到一个比较好的电压平台。

磁压对级联爆磁压缩脉冲发生器性能的影响

为了研究负载为μH量级的间接馈电两级级联柱-锥构型的爆磁压缩产生器的基本物理过程和能量转换机理,利用描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序MFCG(Ⅴ),以实验模型结构参数为基础模拟计算了一系列模型,分析了磁压对金属套筒径向膨胀速度及膨胀过程的影响。计算结果表明:套筒的径向膨胀速度取决于爆轰压与磁压的共同作用,在爆磁压缩过程的绝大部分时间里,向外膨胀的爆轰压都远大于向内压缩的磁压,因而套筒的径向膨胀速度主要是由爆轰压决定;但是在功率放大级的后半段,也就是发生器电流增长最快阶段,磁压也迅速增长,它的增长大大降低了套筒的径向膨胀速度;在功率放大级的后期,磁压已经超过爆轰压,它对系统设计的影响已经不能完全忽略。