爆炸问题的高精度并行数值模拟研究

发布时间：2017-06-02 04:09

  本文关键词：爆炸问题的高精度并行数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：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。
【关键词】：WENO RGFM Level-set Riemann问题 并行计算 含铝炸药 空中爆炸 气泡脉动
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ560.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 高分辨率有限差分格式研究现状13
• 1.2.2 物质界面追踪研究现状13-14
• 1.2.3 物质界面处理研究现状14-17
• 1.3 本文主要工作17-18
• 第2章 数学模型及数值格式18-26
• 2.1 数学模型18-20
• 2.1.1 均质炸药爆炸问题的数学模型18-19
• 2.1.2 含铝炸药爆炸问题的数学模型19-20
• 2.2 数值格式20-25
• 2.2.1 算子分裂20-25
• 2.2.2 时间离散25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 多物质界面处理26-45
• 3.1 LEVEL-SET 界面追踪26-30
• 3.1.1 LEVEL-SET 函数26
• 3.1.2 LEVEL-SET 方程26-27
• 3.1.3 求解 LEVEL-SET 方程27-28
• 3.1.4 重新初始化28-30
• 3.2 通用 RIEMANN 问题求解方法30-38
• 3.2.1 RIEMANN 问题简介31-32
• 3.2.2 冲击波-冲击波求解方法32-38
• 3.3 RGFM 界面处理38-44
• 3.3.1 RGFM 方法概述38
• 3.3.2 RGFM 方法流程38-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 RGFM 方法并行计算45-55
• 4.1 引言45-46
• 4.2 包覆式并行计算模块46-52
• 4.2.1 二维包覆式并行模块47-49
• 4.2.2 三维包覆式并行模块49-52
• 4.3 边界进程处理52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 空中爆炸问题的高精度并行数值模拟研究55-69
• 5.1 引言55-56
• 5.2 二维平面爆炸验证算例56-60
• 5.3 TNT 装药空中爆炸三维数值模拟60-64
• 5.3.1 计算模型60-61
• 5.3.2 计算结果及分析61-64
• 5.4 含铝炸药空中爆炸三维数值模拟64-67
• 5.4.1 计算模型64-65
• 5.4.2 计算结果及分析65-67
• 5.5 本章小结67-69
• 第6章 水下爆炸气泡脉动的高精度并行数值模拟研究69-81
• 6.1 引言69-70
• 6.2 二维水下爆炸气泡脉动数值模拟70-72
• 6.3 TNT 水下爆炸气泡脉动三维数值模拟72-78
• 6.3.1 计算模型72-73
• 6.3.2 计算结果73-76
• 6.3.3 对比分析76-78
• 6.4 含铝炸药水下爆炸气泡脉动数值模拟78-80
• 6.4.1 计算模型78
• 6.4.2 计算结果及分析78-80
• 6.5 本章小结80-81
• 第7章 结论与展望81-83
• 参考文献83-89
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单89-90
• 致谢90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：414211