电磁加载下的高能量密度物理问题研究（续2）

孙承纬
中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳621900

文章摘要:3．2电磁驱动的高能量密度动力学研究3．2．1固体套筒内爆动力学实验磁力驱动下高速内爆的金属套筒是一个柱形会聚撞击器（又称为飞层），可用来进行冲击压缩和许多流体动力学实验，为此当撞击内部靶芯时套筒内表面附近必须接近于固体状态的密度，因而称为固体套筒。如同气体炮是标准的平面冲击加载装置那样，电磁驱动的固体套筒是柱面会聚冲击实验的通用平台，其能力和精度明显超过爆轰会聚装置，而且没有爆炸带来的种种不便之处。为了用各种材料作撞击器，在轻质良导体（如铝）驱动筒内侧衬上用所需材料制作的薄筒，组成所谓复合套筒。
文章主题:高能量密度 电磁驱动 加载装置 物理问题 动力学实验 固体套筒 撞击器 磁力驱动

文章内容：2007年9月高能量密度物理第3期【技术讲座】电磁加载下的高能量密度物理问题研究(续2)孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,绵阳621900)3.2电磁驱动的高能量密度动力学研究3.2.1固体套筒内爆动力学实验磁力驱动下高速内爆的金属套筒是一个柱形会聚撞击器(又称为飞层),可用来进行冲击压缩和许多流体动力学实验,为此当撞击内部靶芯时套筒内表面附近必须接近于固体状态的密度,因而称为固体套筒.如同气体炮是标准的平面冲击加载装置那样,电磁驱动的固体套筒是柱面会聚冲击实验的通用平台,其能力和精度明显超过爆轰会聚装置,而且没有爆炸带来的种种不便之处.为了用各种材料作撞击器,在轻质良导体(如铝)驱动筒内侧衬上用所需材料制作的薄筒,组成所谓复合套筒.固体套筒内爆动力学实验可分为3类:材料性质(以单次,多次冲击压缩及等熵压缩实验测量高压物态方程,大应变及高应变率下的本构关系,界面摩擦力,微喷射和微射流……);流体动力学[会聚冲击波传播,内爆稳定性(-),流体动力学界面不稳定性(,),复杂构形三维流动(复杂边界,切向流,涡旋,射流,混合……)];基础科学研究(强耦合等离子体性质,强磁场物理……).近1年,美,俄,法等国用,及大型爆磁发生器装置系统地进行多种实验,由于这些实验的构形,材料,数据和相关理论计算结果同核武器物理联系十分密切,被当作校核和发展核武器计算编码的基准手段(),几乎见不到公开发表的相关学术论文[2.内华达试验场用储能为23的装置以2电流驱动质量为40,外半径为5,高度为4,厚度为1.2标准铝套筒,当套筒内表面半径达到1时,速度为7.5/,动能为1.13.这种套筒最高速度可达12～15/,动能接近5.在装置上进行的三种高能量密度动力学实验如图25所示.套筒电流冲击压缩()固体套筒实验示意图()固体套筒电磁内爆流体动力学实验图25固体套筒的电磁内爆足,受.鞋重噩噩重要-蛐双等西伊第3期孙承纬:电磁加载下的高能量密度物理问题研究(续2)129美,俄联合的系列实验利用直径为40,十模块圆盘型爆磁发生器及电爆炸箔断路开关系统,以(30土1.2)的负载电流驱动质量为50的铝套筒(外半径为4,高度为4,厚度为2)达到12/以上的速度,并以很高的同步精度撞击直径为2的靶芯表面..利用有重金属(,…)内层的复合套筒,可以在靶材料中得到量级的冲击压力,在更高水平上实现了以前用地下核试验和球形内爆实验测量材料超高压冲击绝热线的能力.装置进行冲击压缩的能力可参看图6.特别应当指出,这种高速驱动实验技术实现了前所未有的内爆精度,撞击器套筒到达靶芯表面的同时性在几十纳秒之内,满足了精密测量高压冲击绝热线和精密内爆实验的要求.继美国空军研究所之后,俄,法科学家共同探讨了用14爆磁发生器驱动半径为4,厚度为1.5铝球壳的实验,半径收缩数倍时其球对称性偏差只有1左右.装置可进行级压力的材料会聚等熵压缩实验,重金属材料的压缩比大于6倍.还有些实验研究了高收缩比下会聚内爆套筒可能出现的不稳定性及断裂现象.为了论证和确定大型电磁内爆装置的技术可行性,实验室先建造了储能为4.3,峰值电流为12的ⅱ电容器组装置,并进行了上百次试验,作为装置上同类工作的预备性实验.20012002年在装置上进行了1多次系列实验,作了全面考核.之后,为了进行污染性重金属样品的试验,2004年搬迁至试验场.根据有关文章介绍,这些实验内容为:(1)流体动力学不稳定性电磁内爆实验可研究固体材料高速会聚运动中各种流体动力学不稳定性和湍流混合问题.在装置上作的系列实验使用1/或1/—复合套筒,在衬筒内表面预制了正弦形起伏的初始轴向扰动,当该表面减速时不稳定性扰动增长,就可确定这种增长与材料强度的关系.系列实验研究靶筒受外筒撞击产生30的冲击波向内传播,当冲击波透出靶筒不光滑内界面(如台阶状)时,出现不稳定性及相关的射流,涡旋,混合现象.在装置上进行的系列实验,研究套筒向内加速时外表面的不稳定性(一0,蜡肠型模式),驱动电流峰值约为20,无预制初始扰动,1之后外表面出现明显的扰动增长闪光照相记录表明,使用3719材料本构模型进行的二维数值模拟与实验符合最好,另两种模型计算的扰动增长则分别过高或过低(图26),说明实验可对材料模型作出细致的鉴别.根据实验校核的理论模型,等[2提出了不同驱动条件下与套筒表面加工精度相应的初始扰动参数平面上稳定区域的分划,目前人们正在探讨套筒材料强度的致稳作用机制.流体动力学实验另一重要内容是与三维复杂结构有关的流动研究,例如冲击波聚焦,切向流,凹凸界面,/:喷射等,这些工作可用来校核,改进有重要实际应用的计算编码.如系列实验研究靶筒内气体中会聚冲击波的传播和聚焦情况.-4实验的轴向激光阴影照片显示冲击波从靶筒内半径一16会聚到---0.2处仍十分对称,均匀.系列实验研究靶筒内液体介质(水,丙烯…)中会聚冲击波的聚焦和反射,由于这种现象至今难以很好计算,所以这些高精度实验数据是考核计算编码的重要基准.在系列的偏心实验中,靶简内表面与外表面不同轴,冲击波会聚焦点的实验偏心量也是考验计算编码的重要内容.高能量密度物理2007年9月暑姜鲥翅鼍芒蚓()套筒内表面轨迹和速度的实验及理论结果()外表面扰动增长照相与数值模拟图26装置上的系列内爆动力学实验(2)材料强度效应和失效特性电磁内爆可同时实现对宏观样品的大应变(100～2009/6)和高应变率(10～10/)加载,达到其他加载技术无法实现的状态.较早的实验是利用内爆过程中厚壁套筒内表面附近区域受强烈压缩,研究大变形,高应变率对材料本构关系的影响,修正有关的理论模型.俄,美科学家共同提出以内爆套筒不稳定性扰动增长实验确定金属,塑料材料在高应变率加载下的动态屈服强度,得到了前所未有的认识,是近年来的重大进展.系列实验利用装置以22电流驱动高度为4的3层结构套筒:外层是外半径为3.1,厚度为2的铝筒,中间层是平均厚度为14.8的聚乙烯夹层,内层是内直径为1.6,平均厚度为1.8的铜层