2013年  27卷  第2期

纪念经福谦院士专题
动态拉伸断裂的物理判据研究
贺红亮
2013, 27(2): 153-161. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.001
摘要:
介绍了动态拉伸断裂物理判据的基本内涵,基本思想,实验依据和实验验证。基于对动态拉伸断裂细微观物理机制和过程特征的认识,建立了损伤度函数模型和逾渗软化函数,提出了两个损伤特征物理量,即聚集临界损伤度(Dl)和断裂临界损伤度(Df),描述了断裂事件由缓慢演化过渡到特征临界状态、再到灾变断裂的演化规律。该物理判据是动态拉伸断裂的一种物理约束,表征了材料失效破坏与损伤演化的内禀特性,为预测复杂加载应力和复杂几何构型的动态拉伸断裂问题提供了可能性。
高压相变与时间的关系
洪时明
2013, 27(2): 162-167. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.002
摘要:
为了研究压致相变的动力学行为,最期待的途径是将高时间分辨率的检测手段与精确的压缩技术相结合。实际上,在大压机上可采用间接的方法,即将回收样品的表征结果与样品所经历的压力、温度和时间进行对比。作为典型例子,根据过去的实验数据,讨论了C-H-O体系中金刚石的成核条件与时间的关系,证明延长保温保压时间有利于高压稳定相的形成。与此相反,一些亚稳相,如大块非晶硫、金属玻璃和非晶高分子材料等,则可通过快速压缩过程获得。实验结果表明:许多物质的相变动力学特征可以在1~103 GPa/s量级的压缩速率中表现出来。在两类实验中,都可以建立包括压力、温度和时间3个维度的动力学相图。
我国动高压物理应用于地球科学的研究进展
龚自正, 谢鸿森, FEI Ying-Wei
2013, 27(2): 168-187. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.003
摘要:
20世纪80年代末,经福谦院士开创了我国动高压物理在地球科学和空间科学中的应用研究这两大动高压研究的新领域(开天、辟地),并领衔我国迄今唯一的地球深部物质科学重大研究项目地球内部几个重要界面物质的高温高压物性研究,指导了我国超高速碰撞与空间碎片防护的研究。系统介绍了在经福谦院士指导下,我国应用冲击波技术对下地幔矿物(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和MgO-FeO体系的高压相变和高压状态方程、铁的高压熔化线、外地核中轻元素的限定、地外物体撞击地球等几个热点问题研究取得的进展。谨以此文缅怀经福谦院士辞世一周年。
高压下典型小分子晶体的结构和行为
靳锡联, 崔田
2013, 27(2): 188-198. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.004
摘要:
高压能够引起凝聚态物质中原子微观结构的重新排列,形成新的电子分布状态,从而产生新材料和新特性。高压下典型分子体系呈现出了丰富的物理现象和物理性质,探索和发现这些高压下典型分子体系中的新结构及其行为,是高压物理研究重要且有意义的课题。通过对单质和小分子化合物两类体系的研究,说明了高压下典型分子单质I2、N2的结构和金属化行为;高压下典型分子化合物中碘仿、溴仿晶体的氢键和卤键的键合行为,以及氨硼烷晶体中存在的双氢键对分子集团转动动力学行为的影响等。高压下典型分子体系不同于常压下所表现出来的解离、重构和金属化等行为,为新结构的产生、新材料的探索以及新物理性质的发现提供了重要源泉。
高能HMX炸药热导率的研究:方法建立和理论计算
陈军, 龙瑶, 陈栋泉
2013, 27(2): 199-204. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.005
摘要:
高能炸药热导率参数的计算是一个难点问题。介绍了我们发展的两种计算复杂结构炸药单晶热导率的方法:第一种方法基于运动方程,推导出了固体内较直观简洁的热流公式,可以研究不同方向HMX炸药的热导率;第二种方法基于声子-声子散射模型,结合德拜模型,计算高压下HMX炸药的热导率。两种方法各有其优缺点。利用这两种方法,计算了HMX炸药在高压下的热导率,并得到了高压下HMX热导率随压强的变化关系。
非静水压下不同强度材料的应力传递特性
冉翔天, 贺端威, 刘景, 王齐明, 王培, 王江华, 陈海花, 彭放
2013, 27(2): 205-210. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.006
摘要:
运用金刚石压砧(DAC)同步辐射角散X射线衍射技术,对非静水压缩下不同强度材料的应力传递特性进行了高压原位研究。分别将Pt与-SiC、Pt与WC以及WC与-SiC压至56、61和25 GPa,实验发现,由于两种不同材料的屈服强度存在差异,其晶粒边界的应力传递是不连续的,同时观测到两种材料之间的应力差随强度差的增加而增加。在DAC轴向X射线衍射实验中,相同加载下,从接近最小应力的方向观测到,强度大的材料其应力较小。
钨合金冲击塑性行为的分子动力学模拟
于超, 任会兰, 宁建国
2013, 27(2): 211-215. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.007
摘要:
利用分子动力学方法,结合钨合金的嵌入原子势,研究了在高速冲击载荷下钨合金的熔化行为。首先,建立了钨合金的冲击模型,采用相同的冲击加载速度,分别对钨(100)、(110)和(111)晶面进行冲击数值模拟,得到Hugoniot关系、压力、温度、体积和波后粒子速度等相关数据及曲线,通过对数据和曲线的分析可知,冲击压力与冲击温度成正比例关系,冲击压力与冲击体积成反比例关系。计算结果在低速冲击过程中与实验数据比较吻合,从而进一步将其拓展到高速冲击领域,计算结果可以定性地说明钨合金在高速冲击下的塑性性质。
不同炸药量在工事中爆炸的三维数值模拟
任会兰, 宁建国, 许香照
2013, 27(2): 216-222. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.008
摘要:
基于消息传递接口(Message Passing Interface,MPI)模式,阐述了采用Euler方法的PMMIC-3D并行程序基本原理及并行设计策略,并对工事模型进行了数值模拟,数值模拟结果与实际现象及物理规律相符。工事内炸药爆炸产生的爆炸冲击波既有较高的超压峰值,又有较长的作用时间,遇到墙壁时会发生反射,产生反射高压,并会发生绕射汇聚,在墙后面一定区域内产生局部高压,与空中爆炸产生的爆炸冲击波相比,杀伤破坏作用更大。通过数值模拟能够清晰地看到爆炸冲击波的传播过程及其相互作用,可以确定爆炸冲击波到达各个位置处的时间。通过对比各个位置处的峰值超压,可以确定能有效毁伤一个确定工事的最佳药量。
六八型大腔体二级推进高压高温装置与新材料的高压合成
李翔, 刘清青, 冯少敏, 朱金龙, 陈良辰, 靳常青
2013, 27(2): 223-229. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.009
摘要:
高压高温条件可以调控化学合成,得到物质在常压时难以形成的新结构,为发现新的物理现象和机制提供重要机遇。基于单级推进的大体积高压高温合成装置可实现的压力通常小于10 GPa,制约了在更高压力区间对新材料的研制和探索。介绍了能进行20 GPa高压高温合成的、基于二级推进的六八型大体积压机。运用该类装置,可将高压高温新材料的研制探索推向全新高度。
基于附加Runge-Kutta方法的高精度气相爆轰数值模拟
李健, 郝莉, 宁建国
2013, 27(2): 230-238. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.010
摘要:
多组分反应欧拉方程是气相爆轰的控制方程,其源项存在刚性。应用显式格式求解,由于格式稳定性条件的限制,时间步长远小于CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)条件得出的时间步长,给求解带来很大困难。引入一种IMEX(Implicit-Explicit)型附加Runge-Kutta算法,对非刚性对流项进行显式处理,源项用半隐式格式处理,整体具有高精度和L-稳定性,并进行算例考核。在此基础上,利用基元反应模型对气相爆轰问题进行了数值研究。结果表明,该算法能够很好地处理源项引起的刚性问题,准确地捕捉和描述爆轰波的复杂结构和典型特征,同时也能够很好地模拟爆轰波在楔面上的马赫反射问题。
静高压下液态物质的声速测量研究进展
张新, 刘永刚, 宋伟, 王志刚, 谢鸿森
2013, 27(2): 239-244. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.011
摘要:
高温高压下物质的声速测量一直是高压科学的重要研究内容之一。作为液体一个基本的物理性质,获取高压下液态物质的声速数据是非常有用和重要的,很多的热力学参数都可以由声速推导出来。然而到目前为止,关于流体或熔体在高压下的宏观热力学性质的直接实验信息却很少,特别是测量液体声速的实验技术还没有很好地建立起来。本文中对已有的静态高压下液态物质的声速测量技术做了简要回顾,同时对在大腔体高压装置上的最新研究进展进行了详细介绍,并对利用大腔体高压装置进行液态物质声速的研究提出了一些展望。
研究论文
由球面波径向质点速度实测数据反演材料黏弹性本构参数
赖华伟, 王占江, 杨黎明, 王礼立
2013, 27(2): 245-252. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.012
摘要:
如何由球面波实测数据反演黏弹性材料本构关系是一个富有挑战性的问题。从基于ZWT线性黏弹性本构方程建立的黏弹性球面波的控制方程组出发,根据强间断波阵面的衰减特性,提出了一个由一系列质点速度实测波形求试件动态黏弹性本构方程的新方法。首先,当材料准静态特性已知时,通过实测球面波的传播速度可确定材料的高频弹性模量;再通过实测强间断波的衰减因子可确定材料的高频松弛时间,从而可确定全部黏弹性本构参数。由反演获得的黏弹性本构模型,用特征线数值法计算黏弹性球面波,其质点速度波形的预示与实测取得了令人满意的一致性结果。
室温离子液体[Emim][PF6]和[Bmim][PF6]压致相变的拉曼散射研究
朱祥, 王永强, 王征, 程学瑞, 袁朝圣, 陈镇平, 苏磊
2013, 27(2): 253-260. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.013
摘要:
室温条件下,采用拉曼光谱仪和四柱型金刚石压砧(DAC),对两种室温离子液体的压致相变进行了详细的研究。实验表明,对于常压下为固态的1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(Emim][PF6],C6H11F6N2P)离子液体,压力增加到约0.86 GPa时,发生固-固相变;对于常压下为液态的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim][PF6],C8H15F6N2P)离子液体,压力增加到约0.62 GPa时,发生液-固相变,增加到约1.45 GPa时,发生固-固相变。此外,还对[Bmim][PF6]加压后的卸压过程进行了详细分析,结果表明:离子液体[Bmim][PF6]在0~2 GPa范围内的压致相变是可逆的。
可压缩多介质问题的高精度数值模拟
赵海涛, 王成, 宁建国
2013, 27(2): 261-267. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.014
摘要:
采用高精度五阶加权本质无振荡(Weighted Essentially Non-Oscillatory,WENO)格式,结合多物质流体界面追踪方法(Level Set方法),以及RGFM(Real Ghost Fluid Method)界面处理方法,对可压缩多介质动力学问题中高密度比和高压力比的强间断问题进行了高精度数值模拟。对一维气-水相互作用问题进行了数值模拟,验证了该计算方法的准确性和可靠性,并将其推广到二维深水爆炸和近水面爆炸问题中。通过对二维深水爆炸及近水面爆炸问题的数值模拟,可以看出该计算方法能够很好地模拟出水下爆炸时,冲击波的产生、传播、遇到界面后的反射和透射等现象,充分显示出该计算方法在处理高密度比和高压力比的强间断问题的优势。
大尺寸活塞-厚壁圆筒式固体传压高温三轴压力室的温度标定
张源, 万志军, 周长冰, 刘渝
2013, 27(2): 268-276. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.015
摘要:
600 ℃、20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的高温三轴压力室,采用活塞-厚壁圆筒式结构,内、外径分别达到300 mm和1 060 mm,高1 100 mm,岩石试件尺寸达200 mm400 mm,采用低电压高电流内加热方式。为了对高温压力室进行温度标定,在试样内、外布设9个测温点,观测试样在加热和保温过程中各测点的温度变化,研究试样内的温度分布特征及其与试样外控制点温度的关系。实验结果表明,试样中部盐环与外层云母板交界处的温度数据稳定可靠,与试样内部的温度具有良好的线性关系,可作为加热过程的温度控制点。在同一横截面上,试样内部的温度高于试样外盐环与外层云母板交界处的温度,且两者的中部温度均高于两端;试样轴向温度对称于试样中部分布,中间高于两端,温差随加热温度的上升不断增大,最大温度梯度为0.85 ℃/mm;试样径向温度随着离中心点距离的增加近似呈线性增大,表面温度最高,最大温度梯度约0.5 ℃/mm。同时,试样轴心温度、离轴心40和80 mm点的温度,以及试样表面的温度,分别比控制点高21%、27%、28%和29%,而试样上、下端温度只比控制点温度低1.5%。试验机加热方式合理,温度控制精度高,试样温度分布较均匀。
单模态RM不稳定性的二维和三维数值计算研究
王涛, 柏劲松, 李平, 陶钢, 姜洋, 钟敏
2013, 27(2): 277-286. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.016
摘要:
发展了可用于可压缩多介质粘性流体动力学问题的数值模拟方法和代码MVPPM(Multi-Viscous-Fluid Piecewise Parabolic Method)。利用MVPPM方法对多个具有不同初始扰动振幅和波长的二维和三维单模态Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性模型进行了数值计算,并和理论模型的计算结果进行了比较。结果显示,扰动界面的发展与扰动的初始条件密切相关。无论二维还是三维情况,当初始扰动强度较小的时候,数值计算的扰动振幅及增长率和理论模型的计算结果一致。对于具有相同初始扰动的情况,三维数值计算结果在线性段与二维计算结果相同,但是在非线性段比二维结果大,说明非线性和三维效应在RM不稳定性发展过程中起着重要作用。
C2H2-O2-Ar 混合气体爆轰特征参数研究
张博, 白春华
2013, 27(2): 287-291. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.017
摘要:
通过实验对C2H2-O2-Ar 混合气体的临界起爆能量和爆轰临界管径进行测量,基于临界起爆能量计算爆炸长度,分析爆炸长度与爆轰胞格尺寸及临界管径之间的规律,并对各种物质临界起爆能量与诱导区长度的关系进行了研究。结果表明:C2H2-O2混合气体,其爆炸长度与胞格尺寸之间的关系为R0=26,加入50%和70%氩气稀释的混合物,两者的关系分别为R0=37.3和R0=54.8;C2H2-O2-Ar 混合气体爆炸长度与爆轰临界管径之间的关系为R0=2DC;对于70%浓度氩气稀释的C2H2-O2混合气体,其爆轰波具有稳定的一维ZND结构,临界起爆能量正比于诱导区长度的3次方。
爆炸冲击波作用下C60O碰撞的第一性原理分子动力学模拟
李建营, 彭汝芳, 刘利民, 金波, 梁华, 刘强强, 范利生, 楚士晋
2013, 27(2): 292-298. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.018
摘要:
利用爆炸产生的极端高温高压能够制备较高产率的He原子内嵌富勒烯,但爆炸环境的特殊性使得反应机理十分复杂,富勒烯之间的相互作用也难以预料。以C60O及C60为模型,采用第一性原理分子动力学方法模拟爆炸极端条件下富勒烯分子的碰撞过程。当分子质心碰撞速度为3.28 km/s时,通过模拟得到C60O相互碰撞产生CO@C60,C60碰撞后损失两个C原子可得到C58分子。模拟计算可帮助理解碰撞过程中内嵌富勒烯的形成机理,有助于开展富勒烯改性实验的设计。
单级脉冲感应线圈炮能量转换效率优化研究
刘文彪, 张媛, 曹延杰
2013, 27(2): 299-304. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.019
摘要:
以系统能量转换效率为目标函数,建立了单级脉冲感应线圈炮的数学模型,对电枢初始位置、电容器组放电电压和电容量进行了优化分析,获得了三者影响能量转换效率的规律。分析结果表明,要提高系统能量转换效率,弹丸穿越驱动线圈时加速行程的时间应当与驱动线圈中电流的上升时间相匹配,通常情况下电容器组采用高电压、小电容量的配置方式,系统可获得较大的能量转换效率。
爆炸烟团扩散的实验与仿真研究
段中山, 罗永锋, 袁伟, 尚爱国
2013, 27(2): 305-312. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.020
摘要:
对烟团扩散的时空分布实验进行了研究与分析;结合程序计算与实验方案,优化了烟团初始条件;运用流体动力学软件,对烟云气团在大气中的扩散进行了数值仿真计算。通过计算,得到了烟云气团在流场中涡旋上升的运动过程及其密度、速度、压力和温度等参数,并对爆炸蘑菇状烟团的产生机理和重力条件下因浮力差造成的涡旋运动进行了探讨与分析。