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《西南交通大学》 2010年
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冲击高压下物质粘性的实验与数值研究

马小娟  
【摘要】:在高温高压状态下凝聚态物质的粘性是地球深部动力学和爆炸力学等研究领域中非常关注的物性参量之一,但比较公认的实验测量方法和理论分析方法仍然未建立起来。Sakharov等人基于冲击波阵面小扰动振幅衰减方法原理,采用爆轰加载手段,利用高速摄像技术测量了多种物质中冲击波扰动振幅的演化情况。但由于其实验方法存在明显弊端,更重要的是缺乏分析实验波后流体粘性系数的理论分析工具,导致这种实验方法被人们冰封。本文在理论和实验方面发展并完善冲击波小扰动方法。 在理论上建立冲击波阵面扰动振幅的数值模拟方法。该方法基于二维粘性流体力学方程组、Hugoniot状态方程和Gruneisen状态方程。本文首次利用压力梯度极值方法合理判断冲击波阵面位置,通过建立将波阵面上的人为粘性与波后压缩区流场的物质粘性区别处理的粘性流体模型,获得了冲击波阵面扰动振幅的数值解。将该数值模拟基本方法应用于分析非均匀几何扰动流场、飞片碰撞流场和Sakharov流场。在实验上发展和完善一种测量金属物质在冲击高压条件下粘性的实验技术,即飞片碰撞小扰动实验方法。该方法在气炮加载条件下采取直接碰撞带波纹面样品的方式产生了具有正弦形几何扰动的冲击波流场,改进了一种新的离散式电探针阵列测量技术并用于直接测量冲击波扰动振幅随传播距离的演化特性,通过对样品优化设计实现了冲击波扰动振幅衰减过程和反向振荡过程的直接观测。利用本实验方法直接观测了在冲击压力78GPa和101GPa条件下金属铝中冲击波阵面扰动振幅随传播距离的演化特性。本文得到如下结论: 1.利用Miller和Ahrens的非均匀几何扰动流场获得的冲击波扰动振幅的数值解与Miller和Ahrens给出的小扰动和弱粘性近似条件的解析解基本吻合,从而验证了本文数值解的正确性。由于本文数值解不受上述条件限制,所以本文得到了有限扰动振幅和强粘性条件下的冲击波阵面扰动振幅与传播距离之间的定量关系,并可用于分析更复杂的流场。 2.将本文建立的数值模拟方法应用于飞片碰撞流场,通过分析飞片碰撞流场中压力随时间演化的规律,首次获得了冲击波阵面扰动振幅的数值解与样品材料的剪切粘性系数之间的定量关系。揭示出初始流场分布、扰动幅宽比、流场粘性以及扰动波长与冲击波阵面扰动振幅的振荡衰减特性之间的定量关联程度,为飞片碰撞小扰动实验的设计提供理论依据。通过将飞片碰撞小扰动实验得到的冲击波扰动振幅随传播距离变化的实验结果与本文数值解的比较,得到冲击压力78GPa和101GPa条件下金属铝的等效剪切粘性系数分别为2800 Pa.s和3500 Pa.s,明显高于用Miller和Ahrens解析解分析得到的结果。 3.将本文建立的数值模拟方法应用于Sakharov流场,通过分析Sakharov流场中压力随时间演化的规律,揭示出初始流场分布、扰动幅宽比、流场粘性以及扰动波长与冲击波阵面扰动振幅的振荡衰减特性之间的定量关联程度,成为分析Sakharov小扰动实验的理论依据;应用描述冲击波扰动振幅的数值解的衰减曲线的零点相对距离与样品材料的剪切粘性系数之间的定量关系,分析Mineev在冲击压力31GPa条件下铝实验数据,首次发现短波(λ1=10mm)实验数据有待进一步验证,利用长波(λ2=20mm)实验数据得到铝在这一实验条件下的等效剪切粘性系数为η=1100Pa.s。 4.小扰动实验结果表明,金属铝在几十吉帕压力下等效剪切粘性系数的取值量级为-103Pa.s。在30-100GPa冲击压力区间,金属铝的等效剪切粘性系数值在1100-3500Pa.s之间呈线性增大趋势,表明未发生冲击熔化现象。 总之,本文的冲击波阵面扰动振幅数值模拟方法和飞片碰撞小扰动实验方法为高温高压下金属的剪切粘性系数的获得提供了一种可靠且完备的方法。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O521.21

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