沖擊高壓下物質(zhì)粘性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

1、在高溫高壓狀態(tài)下凝聚態(tài)物質(zhì)的粘性是地球深部動(dòng)力學(xué)和爆炸力學(xué)等研究領(lǐng)域中非常關(guān)注的物性參量之一，但比較公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和理論分析方法仍然未建立起來(lái)。Sakharov等人基于沖擊波陣面小擾動(dòng)振幅衰減方法原理，采用爆轟加載手段，利用高速攝像技術(shù)測(cè)量了多種物質(zhì)中沖擊波擾動(dòng)振幅的演化情況。但由于其實(shí)驗(yàn)方法存在明顯弊端，更重要的是缺乏分析實(shí)驗(yàn)波后流體粘性系數(shù)的理論分析工具，導(dǎo)致這種實(shí)驗(yàn)方法被人們冰封。本文在理論和實(shí)驗(yàn)方面發(fā)展并完善沖擊波小擾動(dòng)方法

2、。在理論上建立沖擊波陣面擾動(dòng)振幅的數(shù)值模擬方法。該方法基于二維粘性流體力學(xué)方程組、Hugoniot狀態(tài)方程和Grǖneisen狀態(tài)方程。本文首次利用壓力梯度極值方法合理判斷沖擊波陣面位置，通過(guò)建立將波陣面上的人為粘性與波后壓縮區(qū)流場(chǎng)的物質(zhì)粘性區(qū)別處理的粘性流體模型，獲得了沖擊波陣面擾動(dòng)振幅的數(shù)值解。將該數(shù)值模擬基本方法應(yīng)用于分析非均勻幾何擾動(dòng)流場(chǎng)、飛片碰撞流場(chǎng)和Sakharov流場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)上發(fā)展和完善一種測(cè)量金屬物質(zhì)在沖擊高壓條件下粘性

3、的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即飛片碰撞小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法。該方法在氣炮加載條件下采取直接碰撞帶波紋面樣品的方式產(chǎn)生了具有正弦形幾何擾動(dòng)的沖擊波流場(chǎng)，改進(jìn)了一種新的離散式電探針陣列測(cè)量技術(shù)并用于直接測(cè)量沖擊波擾動(dòng)振幅隨傳播距離的演化特性，通過(guò)對(duì)樣品優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了沖擊波擾動(dòng)振幅衰減過(guò)程和反向振蕩過(guò)程的直接觀測(cè)。利用本實(shí)驗(yàn)方法直接觀測(cè)了在沖擊壓力78GPa和101GPa條件下金屬鋁中沖擊波陣面擾動(dòng)振幅隨傳播距離的演化特性。本研究得到如下結(jié)論：
　　 ⑴利

4、用Miller和Ahrens的非均勻幾何擾動(dòng)流場(chǎng)獲得的沖擊波擾動(dòng)振幅的數(shù)值解與Miller和Ahrens給出的小擾動(dòng)和弱粘性近似條件的解析解基本吻合，從而驗(yàn)證了本文數(shù)值解的正確性。由于本文數(shù)值解不受上述條件限制，所以本文得到了有限擾動(dòng)振幅和強(qiáng)粘性條件下的沖擊波陣面擾動(dòng)振幅與傳播距離之間的定量關(guān)系，并可用于分析更復(fù)雜的流場(chǎng)。
　　 ⑵將本文建立的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于飛片碰撞流場(chǎng)，通過(guò)分析飛片碰撞流場(chǎng)中壓力隨時(shí)間演化的規(guī)律，首次獲得了

5、沖擊波陣面擾動(dòng)振幅的數(shù)值解與樣品材料的剪切粘性系數(shù)之間的定量關(guān)系。揭示出初始流場(chǎng)分布、擾動(dòng)幅寬比、流場(chǎng)粘性以及擾動(dòng)波長(zhǎng)與沖擊波陣面擾動(dòng)振幅的振蕩衰減特性之間的定量關(guān)聯(lián)程度，為飛片碰撞小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)將飛片碰撞小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)得到的沖擊波擾動(dòng)振幅隨傳播距離變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文數(shù)值解的比較，得到?jīng)_擊壓力78GPa和101GPa條件下金屬鋁的等效剪切粘性系數(shù)分別為2800 Pa.s和3500 Pa.s，明顯高于用Miller和Ah

6、rens解析解分析得到的結(jié)果。
　　 ⑶將本文建立的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于Sakharov流場(chǎng)，通過(guò)分析Sakharov流場(chǎng)中壓力隨時(shí)間演化的規(guī)律，揭示出初始流場(chǎng)分布、擾動(dòng)幅寬比、流場(chǎng)粘性以及擾動(dòng)波長(zhǎng)與沖擊波陣面擾動(dòng)振幅的振蕩衰減特性之間的定量關(guān)聯(lián)程度，成為分析Sakharov小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)；應(yīng)用描述沖擊波擾動(dòng)振幅的數(shù)值解的衰減曲線(xiàn)的零點(diǎn)相對(duì)距離與樣品材料的剪切粘性系數(shù)之間的定量關(guān)系，分析Mineev在沖擊壓力31GPa條件下

7、鋁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)短波(λ1=10mm)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步驗(yàn)證，利用長(zhǎng)波(λ2=20mm)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到鋁在這一實(shí)驗(yàn)條件下的等效剪切粘性系數(shù)為η=1100Pa.s。
　　 ⑷小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬鋁在幾十吉帕壓力下等效剪切粘性系數(shù)的取值量級(jí)為～103pa.s。在30～100GPa沖擊壓力區(qū)間，金屬鋁的等效剪切粘性系數(shù)值在1100～3500Pa.s之間呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，表明未發(fā)生沖擊熔化現(xiàn)象?？傊疚牡臎_擊波陣面擾動(dòng)振幅數(shù)值模擬