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电爆炸金属桥箔早期过程中电磁-热-力多物理场耦合建模与分析

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高压物理学报 2024年第1期38卷 65-73页

作者：王刚华谢龙肖波王强唐久棚欧海彬阚明先段书超中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

金属桥箔的电爆炸过程对电炮、冲击片雷管等的性能影响极为关键。这一过程中物质性质变化、几何构型和动力学过程非常复杂,早期的大量理论模拟工作均采用极为简化的物理模型。为此,建立了描述爆炸箔早期行为的三维电磁-热-固体力学耦合... 详细信息

金属桥箔的电爆炸过程对电炮、冲击片雷管等的性能影响极为关键。这一过程中物质性质变化、几何构型和动力学过程非常复杂,早期的大量理论模拟工作均采用极为简化的物理模型。为此,建立了描述爆炸箔早期行为的三维电磁-热-固体力学耦合求解全物理模型,模拟爆炸箔在大电流加载下的早期受热膨胀过程,并对早期膨胀过程中桥箔上的磁场、电流、温度等演化进行分析,观察到电流在构型和电阻率两种因素影响下的角扩散和线扩散现象,模拟得到的桥区温度场分布与参考文献中的实验图像及模拟结果定性符合。

关键词：爆炸箔冲击片雷管磁流体多场耦合

预加热效果对磁化套筒惯性聚变放能影响的模拟研究

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高压物理学报 2021年第3期35卷 66-77页

作者：赵海龙王强阚明先谢龙中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用... 详细信息

得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用一维集成化数值模拟程序MIST,开展了MagLIF过程中预加热效果对聚变放能影响的模拟研究,基于参数扫描方法,从简单的模型着手,逐步深入探讨相关参数对内爆结果的影响。模拟结果表明:预加热是MagLIF构型能够成功的必要条件,最佳时间是套筒即将开始向内压缩燃料的时刻;燃料预加热的设计原则是让燃料获得尽可能平缓分布的高温,而中心局部加热方式对于未能达到点火条件的负载更有优势;激光预加热模式下,脉宽越短越好,对于以ZR装置驱动能力为目标的算例而言,最佳套筒高度为1.0 cm。研究结果有助于加深对MagLIF过程中预加热机制和效果的认知和理解,对于具体的负载参数设计也有较强的指导意义。

关键词：磁化套筒惯性聚变预加热 MIST 内爆

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金属电阻率模型

爆炸与冲击 2013年第3期33卷 282-286页

作者：阚明先王刚华赵海龙谢龙中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

修正了Burgess电阻率模型中的错误公式和算法流程,获得了与文献中结果完全相同的电阻率曲线。采用Burgess电阻率对Z装置上的磁驱动飞片实验进行数值模拟,计算的自由面速度曲线与实验结果相差较大。由于液体到达汽化点时,是气液混合体,... 详细信息

修正了Burgess电阻率模型中的错误公式和算法流程,获得了与文献中结果完全相同的电阻率曲线。采用Burgess电阻率对Z装置上的磁驱动飞片实验进行数值模拟,计算的自由面速度曲线与实验结果相差较大。由于液体到达汽化点时,是气液混合体,因此从汽化点到临界温度的Burgess电阻率公式不应采用气体计算公式,应改为气液混合体的计算公式。采用从汽化点到临界温度阶段修改为气液混合体的电阻率公式进行数值模拟,计算的自由面速度曲线与实验结果、文献计算结果相吻合。

关键词：爆炸力学金属电阻率修正的Burgess电阻率模型磁驱动飞片

基于MDSC程序的Z箍缩内爆单温和三温模拟分析

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高压物理学报 2016年第1期30卷 64-70页

作者：杨龙王刚华阚明先李平中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

用于模拟Z箍缩物理过程的辐射磁流体力学程序(MDSC)存在单温和三温两种模型,了解其差别有助于更好地使用该工具。介绍了程序中单温模型和三温模型在物理建模上的差异,设计了3个算例,采用两种模型分别予以模拟计算。结果表明:相对于单温... 详细信息

用于模拟Z箍缩物理过程的辐射磁流体力学程序(MDSC)存在单温和三温两种模型,了解其差别有助于更好地使用该工具。介绍了程序中单温模型和三温模型在物理建模上的差异,设计了3个算例,采用两种模型分别予以模拟计算。结果表明:相对于单温模型,三温模型获得更高的碰轴速度,该差异在低温大质量负载上表现得更为明显。结合Z箍缩的实际物理过程,分析认为:碰轴速度的差异主要由状态方程引起,低温下单温模型中的原子状态方程与三温模型中的离子状态方程有显著差异,导致加载面的膨胀不一致,最终使获得的动能不一致,而高温下两种状态方程的差异减小,因此碰轴速度的差异不明显。状态方程的差异还导致三温模型中更容易形成冲击波和先驱等离子体,从而缩短了碰轴时间。动能的不同是引起计算差异的主要因素。

关键词： Z箍缩 MDSC程序二维三温二维单温数值模拟

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固体套筒内爆非冲击压缩研究

高压物理学报 2016年第4期30卷 344-352页

作者：杨龙李平王刚华阚明先中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

Z箍缩上的套筒准等熵压缩技术可以用来研究材料的高压状态方程。通过MDSC磁流体力学程序,以铝为负载材料,对PTS shot37负载电流进行非冲击压缩负载设计。结果显示,在原始电流下,没有合适的铝套筒尺寸可以实现非冲击压缩;对原始电流进行... 详细信息

Z箍缩上的套筒准等熵压缩技术可以用来研究材料的高压状态方程。通过MDSC磁流体力学程序,以铝为负载材料,对PTS shot37负载电流进行非冲击压缩负载设计。结果显示,在原始电流下,没有合适的铝套筒尺寸可以实现非冲击压缩;对原始电流进行波形调节,将电流上升时间调为202和303ns后,获得了满足非冲击压缩条件的套筒尺寸范围。当电流上升时间为303ns时,半径为2.5mm,厚度为0.6mm的套筒尺寸在电流最大时刻,保留固相的厚度为0.12mm,此时固相最大压力为63GPa,最大内爆速度为15km/s。

关键词： Z箍缩固体套筒非冲击压缩冲击波磁扩散

基于移动窗口的串联增强型轨道炮发射过程电磁场演化模拟分析

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爆炸与冲击 2021年第6期41卷 108-115页

作者：王刚华谢龙赵海龙阚明先肖波何勇宋盛义中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

简要介绍了Railgun3D程序的主要控制方程,使用Railgun3D程序对串联增强型轨道炮发射过程进行了模拟,详细分析了一复杂构型的电枢在梯形驱动电流加载外轨道/电枢上电磁场的演化过程,对电流涡结构、电流趋肤效应进行了讨论。计算中观察到... 详细信息

简要介绍了Railgun3D程序的主要控制方程,使用Railgun3D程序对串联增强型轨道炮发射过程进行了模拟,详细分析了一复杂构型的电枢在梯形驱动电流加载外轨道/电枢上电磁场的演化过程,对电流涡结构、电流趋肤效应进行了讨论。计算中观察到了不同于普通单轨的现象,由于增强轨道的存在,驱动电流在增强轨道上产生了较大的磁场,由于电磁感应,在内轨道炮口一端上有显著的磁场和电流分布,感应电流的大小依赖于驱动电流的变化率。计算给出了多个时刻电枢附近电流涡结构的演化过程,并在电流下降段,电枢后表面上电流出现反向,指出该效应可能是导致电枢与轨道接触应力不足、甚至出现电枢转捩的重要因素。通过中心对称面上电流密度云图,模拟结果显示出磁扩散与速度趋肤效应在整个过程中的相互竞争决定了电流的分布形态。

关键词：电磁轨道炮电流涡速度趋肤效应电枢转捩 Railgun3D程序移动窗口法

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CQ-4装置电磁驱动能力分析

应用力学学报 2013年第6期30卷 932-935,958页

作者：王刚华王桂吉阚明先张红平赵剑衡谭福利流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室绵阳621900

利用磁流体力学程序对流体物理研究所设计研制的电磁驱动装置CQ．4在充电电压分别为75．6kV、80kV、85．1kV情况下装置发射飞片的能力进行了模拟计算。CQ-4装置设计的输出电流峰值为3-4MA，上升时间小于500ns（10％～90％），该装置主... 详细信息

利用磁流体力学程序对流体物理研究所设计研制的电磁驱动装置CQ．4在充电电压分别为75．6kV、80kV、85．1kV情况下装置发射飞片的能力进行了模拟计算。CQ-4装置设计的输出电流峰值为3-4MA，上升时间小于500ns（10％～90％），该装置主要用于磁驱动准等熵压缩与高速飞片发射实验研究。计算给出了三种充电电压下装置驱动不同尺寸飞片的结果，从而指出只有合适的厚度才能获得最佳的驱动效果，初步估计在CQ-4上可将质量为数克的飞片加速到10～13km／s而不会被融化，其形成的射流速度可达20km／s。由于本文的计算没有考虑装置结构系数，计算得到的飞片速度比实验中获得的结果高。

关键词：磁流体力学高速飞片脉冲功率装置

磁化套筒惯性聚变中轴向磁场演化特征与Nernst效应影响

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物理学报 2021年第13期70卷 232-243页

作者：赵海龙王刚华肖波王强阚明先段书超谢龙中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并... 详细信息

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并获得MagLIF各个阶段轴向磁场演化与分布特征,发现预加热引起的压力不平衡导致燃料中磁通保有量并未呈现随时间单调递减的关系,而是反复震荡甚至出现局部短时间内反而增加的演化曲线.通过在磁场演化方程中引入控制项来讨论Nernst效应的影响,计算结果表明随着初始磁场强度降低(30,20,10 T),Nernst效应越发明显,磁通损失增大(28%,44%,73%),a粒子能量沉积比例则大幅降低(44%,27%,4%),因此初始磁场强度不宜太低;预加热结束后应使燃料中温度径向分布尽量均匀、平缓,有助于减少Nernst效应的影响.所取得的研究结果有助于加深对MagLIF中磁通压缩和磁扩散过程的物理图像认知和理解,对未来实验负载参数设计也有重要的指导作用.

关键词：磁化套筒惯性聚变轴向磁场 Nernst效应

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准等熵压缩实验中金属铝的热力学耗散分析

高压物理学报 2015年第3期29卷 169-177页

作者：张红平李牧阚明先王刚华种涛中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

为获取高压下材料的纯热力学压力-比容参考线和完全物态方程,减去应力-应变曲线中的其它信息,对准等熵压缩实验中由加载应变率引起的黏性耗散和热传导引起的热耗散做了分析讨论。基于反积分计算和流体动力学积分计算相结合的方法,根据... 详细信息

为获取高压下材料的纯热力学压力-比容参考线和完全物态方程,减去应力-应变曲线中的其它信息,对准等熵压缩实验中由加载应变率引起的黏性耗散和热传导引起的热耗散做了分析讨论。基于反积分计算和流体动力学积分计算相结合的方法,根据激光加载(约108 s-1)和磁驱动准等熵压缩(约105 s-1)的实验数据,对材料声速、应力-应变曲线、温度和熵增等物理量进行计算,分析了不同应变率与该物理量的关系;还对热传导和SCG本构模型进行了计算,分析了热传导引起的温度变化对材料屈服强度、剪切模量和拉格朗日声速的影响。结果表明:激光加载实验中,应变率引起的温升差异约为180K,熵增差异约为250J/(kg·K),热传导导致温度下降40K;磁驱动准等熵压缩应变率较低,引起的熵增变化小于8J/(kg·K)。

关键词：反积分黏性力应变率热传导