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CEL方法研究及其在匯聚壓縮問題中的應用

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-03-03 訪問數:

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匯聚壓縮是一個存在高溫高壓、大壓縮比、高密度比、高壓力比等極端條件的物理問題,對模擬程序提出了苛刻的要求。在爆轟加載的作用下,外層金屬飛層變形較小,中心氣區會發生微噴、流體力學不穩定性、混合等大變形、高度非線性的現象。拉氏方法基于變形網格,能夠準確追蹤界面演化,擅長描述外層金屬飛層的演化;歐拉方法基于固定網格,擅長描述中心氣區的高度大變形問題。采用單一方法很難同時準確給出金屬飛層的演化規律和氣區的精細流場結構。

CEL方法根據介質的變形特點,將介質分別采用歐拉和拉氏方法計算,在歐拉/拉氏計算域的重疊區域實現歐拉/拉氏介質的相互作用,實現充分結合歐拉、拉氏方法各自優點的目的。目前,鮮見到CEL方法在匯聚壓縮領域應用的文獻。本文基于Ghost Cell思想,針對匯聚壓縮問題,發展了CEL方法,編寫了CEL耦合程序。將該程序用于匯聚壓縮問題的模擬工作,為進一步研究相關重要工程問題探索新的思路。

1  CEL方法研究

基于Ghost Cell思想的耦合方法具有抵抗大變形能力強、魯棒性好、容易實現等優點。然而,在歐拉/拉氏接觸面上往往存在顯著的質量損失問題。我們采用HLLC近似黎曼解法器耦合歐拉/拉氏接觸面上歐拉和拉氏流場的力學狀態,得到接觸面上歐拉流場對拉氏介質的作用力;其次,在Ghost流場增加速度松弛項,將質量損失控制在一個較小的范圍內振蕩;再次,研制歐拉網格自適應細化算法提高匯聚壓縮后期歐拉氣區流場的計算精度,降低歐拉流場的計算誤差。大量數值實驗表明:1)以上改進措施顯著提高了歐拉/拉氏接觸面耦合精度(如圖1,均勻壓縮問題中飛層界面走時誤差下降約兩個數量級);2)上述措施有效抑制了歐拉流場的質量損失問題(如圖2,非均勻壓縮問題中氣區質量誤差可控制在0.5%以內)。

CEL方法研究及其在匯聚壓縮問題中的應用

2  CEL方法在匯聚壓縮問題中的初步應用

        采用CEL程序分別模擬柱面均勻和非均勻匯聚壓縮兩類問題。在模擬柱面均勻壓縮問題時,中心歐拉氣區采用36萬個100 μm單元的精細網格。用拉氏程序計算相同的問題與CEL程序的計算結果進行比對。如圖3,若不進行重分重映,氣體激波第一次匯聚時,拉氏氣區網格扭曲。這說明二維拉氏程序計算均勻壓縮問題時,很難得到精細的氣區流場結構。為了進一步比較各飛層的界面走時,改用一維拉氏程序重新計算。計算結果如圖4。由圖可知,兩種程序的飛層界面幾乎重合,最大誤差小于1%。以上結果說明CEL程序能夠在保障飛層精度的前提下,得到高精度氣區流場結構。

CEL方法研究及其在匯聚壓縮問題中的應用

CEL方法研究及其在匯聚壓縮問題中的應用

模擬非均勻壓縮問題(相關參數引自張崇玉等開展的非均勻柱面壓縮實驗)時,氣區采用50萬個50 mm單元的精細網格,得到的氣區結構如圖5。22 ms在氣區流場激波反射后出現了兩個極小的漩渦結構。0.5 ms后,兩個漩渦進一步擴大加強,流場中心還出現兩個新的漩渦。四個漩渦會促進中心氣區流場混合過程的發展,對于研究壓縮過程產生的微噴、流體力學不穩定性以及介質混合等問題具有一定的參考價值。另外在飛層邊界還可以觀察到十分嚴重的網格扭曲,甚至自相交。這說明CEL方法具有較強的抗大變形能力,即使拉氏邊界網格嚴重扭曲,也能持續計算并得到相對精確的氣區流場。

CEL方法研究及其在匯聚壓縮問題中的應用

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