爆炸问题的高精度并行数值模拟研究

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爆炸问题是新一代武器装备设计研发的核心科学问题之一,而数值模拟技术是深刻认识爆炸现象本质、研究爆炸流场瞬态演化以及获取爆炸冲击波传播规律的有效手段。因此,重点发展以高精度和并行为代表的爆炸问题先进数值模拟技术,显著提高传统数值模拟技术的精度和计算效率,对于武器装备的数字化设计具有重要的工程应用前景。本文采用RGFM和Level-set相结合的物质界面处理方法,克服了爆炸流场中高密度比、高压强比的物质界面容易引起数值振荡这一瓶颈,采用五阶WENO高精度有限差分格式进行空间离散,采用三阶TVD Runger-Kutta法进行时间离散,基于Fortran语言编程求解Euler方程,实现了TNT和含铝炸药的空中爆炸、水下爆炸、气泡脉动等爆炸问题的三维高精度数值模拟。在此基础上,基于MPI搭建了针对结构网格计算程序的并行模块,实现了三维RGFM程序的并行化设计,显著提升了计算规模。1)采用双激波近似理论,建立了针对一般状态方程的Riemann问题求解方法,在此基础上求解了爆轰产物和空气(水)构成的Riemann问题,其中爆轰产物采用JWL状态方程,空气(水)采用Stiff-gas状态方程,获得了Riemann问题的界面压强、界面速度和界面两侧密度。2)基于MPI搭建了包覆式、可移植的并行模块,通过数据的发送和接收,实现了任意子进程和所有相邻进程的双向数据交互。通过调用该模块,实现了子进程计算域的全包覆,满足了RGFM方法中构建局部Riemann问题过程对数据通信的特殊要求,实现了三维RGFM方法的并行化。3)采用RGFM方法实现了TNT空中爆炸的三维高精度并行数值模拟,冲击波超压随比例距离的衰减规律与经验公式吻合较好,表明RGFM方法可以用于空中爆炸问题的数值仿真;引入了能够描述含铝炸药二次能量释放过程的Miller模型,将Miller模型和Euler方程耦合进行统一求解,获得含铝炸药空中爆炸的全过程数值仿真,成功获得了含铝炸药冲击波衰减较慢的规律并分析了其主要原因。4)采用RGFM方法实现了TNT水下爆炸的三维高精度并行数值模拟,获得了水下爆炸气泡脉动的全过程数值仿真,不同工况下气泡半径随时间变化的曲线与理论模型吻合较好;研究了气泡脉动最大半径及脉动周期随外围水压的变化规律,并首次采用Riemann问题接触间断运动的观点揭示了气泡脉动的物理本质;开展了含铝炸药水下爆炸气泡脉动现象的数值仿真,通过对比分析TNT和含铝炸药气泡脉动规律的不同之处,初步分析了铝粉燃烧对气泡脉动的影响。
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