沖擊高壓下物質(zhì)粘性的實(shí)驗與數(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)驗測量方法和理論分析方法仍然未建立起來。Sakharov等人基于沖擊波陣面小擾動振幅衰減方法原理，采用爆轟加載手段，利用高速攝像技術(shù)測量了多種物質(zhì)中沖擊波擾動振幅的演化情況。但由于其實(shí)驗方法存在明顯弊端，更重要的是缺乏分析實(shí)驗波后流體粘性系數(shù)的理論分析工具，導(dǎo)致這種實(shí)驗方法被人們冰封。本文在理論和實(shí)驗方面發(fā)展并完善沖擊波小擾動方法

2、。在理論上建立沖擊波陣面擾動振幅的數(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，通過建立將波陣面上的人為粘性與波后壓縮區(qū)流場的物質(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流場、飛片碰撞流場和Sakharov流場。在實(shí)驗上發(fā)展和完善一種測量金屬物質(zhì)在沖擊高壓條件下粘性

3、的實(shí)驗技術(shù)，即飛片碰撞小擾動實(shí)驗方法。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的沖擊波流場，改進(jìn)了一種新的離散式電探針陣列測量技術(shù)并用于直接測量沖擊波擾動振幅隨傳播距離的演化特性，通過對樣品優(yōu)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了沖擊波擾動振幅衰減過程和反向振蕩過程的直接觀測。利用本實(shí)驗方法直接觀測了在沖擊壓力78GPa和101GPa條件下金屬鋁中沖擊波陣面擾動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的非均勻幾何擾動流場獲得的沖擊波擾動振幅的數(shù)值解與Miller和Ahrens給出的小擾動和弱粘性近似條件的解析解基本吻合，從而驗證了本文數(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振幅和強(qiáng)粘性條件下的沖擊波陣面擾動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。
　　 ⑵將本文建立的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于飛片碰撞流場，通過分析飛片碰撞流場中壓力隨時間演化的規(guī)律，首次獲得了

5、沖擊波陣面擾動振幅的數(shù)值解與樣品材料的剪切粘性系數(shù)之間的定量關(guān)系。揭示出初始流場分布、擾動幅寬比、流場粘性以及擾動波長與沖擊波陣面擾動振幅的振蕩衰減特性之間的定量關(guān)聯(lián)程度，為飛片碰撞小擾動實(shí)驗的設(shè)計提供理論依據(jù)。通過將飛片碰撞小擾動實(shí)驗得到的沖擊波擾動振幅隨傳播距離變化的實(shí)驗結(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，通過分析Sakharov流場中壓力隨時間演化的規(guī)律，揭示出初始流場分布、擾動幅寬比、流場粘性以及擾動波長與沖擊波陣面擾動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小擾動實(shí)驗的理論依據(jù)；應(yīng)用描述沖擊波擾動振幅的數(shù)值解的衰減曲線的零點(diǎn)相對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)驗數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)短波(λ1=10mm)實(shí)驗數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步驗證，利用長波(λ2=20mm)實(shí)驗數(shù)據(jù)得到鋁在這一實(shí)驗條件下的等效剪切粘性系數(shù)為η=1100Pa.s。
　　 ⑷小擾動實(shí)驗結(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之間呈線性增大趨勢，表明未發(fā)生沖擊熔化現(xiàn)象?？傊?，本文的沖擊波陣面擾動振幅數(shù)值模擬