磁驱动高速飞片模拟中滑移界面处理

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1、第27卷第1期强激光与粒子束Vol.27.No.12015年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS脉冲功率技术Jan.•2015磁磁驱动驱动高速速飞片模拟中飞片模拟中滑移移界面处理椅界面处理阚阐明先，明先王王刚华，刚华张张红平，红平赵海赵海龙，龙杨龙(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳中国工程物理研究院流体物理研究所621900)摘要:在在二维单介质磁驱动数值模拟程序二维单介质磁驱动数值模拟程序((MDSC2)MDSC2)的的基础上，采用局部结构整体非结构的网格拼接基础上，采用局部结构整体非结构的网格拼接方方法，研制了处理滑移界面的二维

2、多介质程序。二维多介质程序解决了单介质程序无法处理的电极与飞片之法，研制了处理滑移界面的二维多介质程序。二维多介质程序解决了单介质程序无法处理的电极与飞片之间间相互作用的模拟问题，能更准确地模拟磁驱动发射实验的飞片状态。计算结果表明:发射飞片的自由面部分相互作用的模拟问题，能更准确地模拟磁驱动发射实验的飞片状态。计算结果表明：发射飞片的自由面部分始始终保持固体密度状态终保持固体密度状态；z自自由面速度历史和由面速度历史和VVISARISAR测测量的速度曲线相吻合量的速度曲线相吻合；3飞飞片中间部分在电流加载过程中片中间部分在电流加载过程中始终始终具有良好的平面性，飞片两

3、端出现拖尾质量，产生不稳定性，这是由于飞片两端与飞片中间部分的磁场强具有良好的平面性，飞片两端出现拖尾质量，产生不稳定性，这是由于飞片两端与飞片中间部分的磁场强度度分布不同造成的。分布不同造成的。关键词:磁磁流体力学;流体力学磁驱动磁驱动飞片;飞片不稳定不稳定性;性滑滑移界面移界面中图分类号:O036361.1.33文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB201527.015002利用脉冲功率装置产生的稠密磁场作为压力，驱动金属片获得超高速飞片，可进行飞片碰撞、冲击实验，开展材料科学的研究口气在材料科学的研究中，为了获得精确的物质状态方程CEOS)数据，要求碰

4、靶部分的飞片具有良好的平面性，并且始终保持固体密度状态。飞片在磁驱动加速过程中不被全部熔化，碰撞、冲击部分保持固体状态，有两种方法。一种是限制飞片加载的最高磁压，M.D.Knudson等人采用此方法驱动铝飞片获得约20km/s的飞片速度[叫;另一种是斜波加载，调整飞片加载电流到达电流峰值的上升时间，防止飞片在磁驱动加速过程中产生冲击波。斜波加载最理想的情况是加载电流产生磁压驱动飞片的过程为等'搞过程。然而，由于塑性变形和热传导的不可逆性等因素，磁加载飞片的过程只能达到准等'脑过程，可使飞片的自由面部分始终保持在固体密度状态。采用斜波加载飞片的方法可充分利用电流以获得最大

5、可用的磁驱动压力，从而可获得更高的飞片速度。2010年R.W.Lemke等人采用斜波加载驱动铝飞片的速度达到了45km/s[91。磁流体力学数值模拟不仅能优化磁驱动压力，确定磁驱动飞片斜波加载电流的上升时间，使飞片在加速过程中达到最高的速度;而且还能模拟发射飞片两端的不稳定性现象，以及飞片每一时刻的各种物理量分布，有助于高压状态下的物态方程的研究。MDSC2程序是由流体物理研究所开发的包括热扩散、磁扩散、理想磁流体力学等物理过程的磁流体力学程序。MDSC2程序主要用于Z-pinch、磁驱动飞片发射技术等电磁加载过程的模拟分析。目前.MDSC2已经研制了二维单介质柱坐标系

6、[10J和平面直角坐标系[11J版本，并计算出了电磁加载过程的部分数值模拟结果。虽然文献口1J的二维单介质程序能够模拟磁驱动发射飞片的发射过程，模拟的自由面速度历史与实验测量和文献计算结果一致，但是由于该程序是单介质程序，无法考虑电极与飞片之间的相互作用，不能模拟飞片两端的不稳定性现象、电极的烧蚀情况等，因此，需要研制二维多介质磁流体力学程序。本文在MDSC2单区单介质结构网格程序的基础上，采用局部结构整体非结构的网格拼接方法，研制了处理滑移界面的二维多介质磁流体力学程序，并对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动发射飞片的电极和飞片所在的区域进行了数值模拟。1

7、数学模型采用磁流体力学模型模拟磁驱动飞片发射过程，其控制方程为rs-i)主=ρV.飞、Vρ生=-Vp+.lCVXB)XB十V.σ(2)Ulμ。收稿日期:201406303修订日期:20141118基金项目:国家自然科学基金项目(11172277.11102193)作者简介:阙明先(1971-).男，副研究员，主要从事磁流体力学数值模拟方面的研究;kanmx@caep.cn。0015002-115002强激光与粒子束p生=一ρV.V十(乓VXB).VXB+(u.V).v-V.Fdiff(3)uιμ。坐=-VX(丑VXB)一(BV.v-B.V