• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
  • EI、Scopus、CA、JST、EBSCO、DOAJ收录
  • 力学类中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊、CSCD统计源期刊

基于等熵曲线与Hugoniot曲线下的一种防奇点Mie-Grüneisen多介质混合模型

吴宗铎 严谨 庞建华 孙一方 张大朋

吴宗铎, 严谨, 庞建华, 孙一方, 张大朋. 基于等熵曲线与Hugoniot曲线下的一种防奇点Mie-Grüneisen多介质混合模型[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0102
引用本文: 吴宗铎, 严谨, 庞建华, 孙一方, 张大朋. 基于等熵曲线与Hugoniot曲线下的一种防奇点Mie-Grüneisen多介质混合模型[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0102
WU Zongduo, YAN Jin, PANG Jianhua, SUN Yifang, ZHANG Dapeng. An anti-singularity Mie-Grüneisen mixture model based on isentropic and hugoniot curves[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0102
Citation: WU Zongduo, YAN Jin, PANG Jianhua, SUN Yifang, ZHANG Dapeng. An anti-singularity Mie-Grüneisen mixture model based on isentropic and hugoniot curves[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0102

基于等熵曲线与Hugoniot曲线下的一种防奇点Mie-Grüneisen多介质混合模型

doi: 10.11883/bzycj-2025-0102
基金项目: 广东省基础与应用基础研究基金(2024A1515012815);湛江市海洋青年人才创新项目(2021E5007);国家自然科学基金(11702066);
详细信息
    作者简介:

    吴宗铎(1984- ),男,博士,副教授,wuzongduo0@aliyun.com

    通讯作者:

    庞建华(1986- ),男,博士,教授,njpjh@sina.com

  • 中图分类号: O359

An anti-singularity Mie-Grüneisen mixture model based on isentropic and hugoniot curves

  • 摘要: Mie-Grüneisen多介质混合模型可以很方便地应用于Mie-Grüneisen状态方程下的多介质问题中。在Mie-Grüneisen状态方程中,等熵曲线与Hugoniot绝热曲线是两种典型的参考状态曲线。然而,这两类曲线存在奇点,利用体积分数进行界面处理时则会造成困难,而传统混合模型却习惯将体积分数作为色函数来使用。其中的难点在于体积分数模型会因界面的扩散形态而产生零碎的流体体积。这些零碎的体积使得部分等熵曲线中会出现声速在界面附近不合理的偏高,并在收敛性条件下需要耗费更多的时间步来计算。另一方面,奇点会使得Hugoniot参考状态曲线下声速出现负值,阻断计算的进行。为了避免产生零碎的体积,这里将质量分数代替体积分数,并将流场中占一定比例的介质密度的倒数定义为比容。重定义后的比容,可以使得相对体积不小于流场整体的相对体积。这样,声速在界面附近形成一个低谷形状并避免出现峰值。另外,Mie-Grüneisen混合模型中部分方程含有参考状态参数的导数项,这些导数项在界面附近被定义成加权平均,但如果用质量分数直接做加权平均容易出现负值。为了保证界面附近不出现负值,对界面处的参考状态进行了优化。数值算例显示,质量分数虽然对计算结果的影响十分微弱,但是可以在等熵状态曲线下保证声速稳定,从而使用比体积分数更少的时间步。同时,质量分数还能在Hugoniot曲线下很好的处理声速的负值。这样可以保证计算既平稳又准确。
  • 图  1  体积分数模型中V的特性

    Figure  1.  The property of V in volume fraction model

    图  2  pref曲线的类型

    Figure  2.  Types of different pref curves

    图  3  不同s值,Cp'Cref变化曲线

    Figure  3.  The curves of Cp' and Cref for different values of s

    图  4  73 μs时刻,铜-惰性炸药冲击问题中,密度、质点速度、色函数和声速计算结果

    Figure  4.  The density, particle velocity, color function and sound velocity results of 73 μs for the impact problem between copper and inert explosive.

    图  5  铜与惰性炸药CC方程在比容V非常小时的pref曲线

    Figure  5.  The pref curves of CC equation of copper and inert explosive for small values of relative volume V

    图  6  体积分数模型中,两种介质声速平方项随x轴分布情况

    Figure  6.  The distribution of square items of sound velocity along x-axis for volume fraction model

    图  7  质量分数模型中,两种介质声速平方项随x轴分布情况

    Figure  7.  The distribution of square items of sound velocity along x-axis for mass fraction model.

    图  8  CJ态爆轰气体冲击问题中,介质声速平方项随x轴分布情况

    Figure  8.  The distribution of square items of sound velocity along x-axis for impact problem of CJ states detonation product.

    图  9  45 μs时刻,CJ态爆轰气体冲击问题中,密度、压力、质点速度和质量分数的计算结果

    Figure  9.  The density, pressure, particle velocity and mass fraction results of 45 μs for impact problem of CJ states detonation product.

    图  10  两种Mie-Grüneisen状态方程下,Cp'Cref变化曲线

    Figure  10.  The curves of Cp' and Cref for different Mie-Grüneisen equation of states

    图  11  3.2节算例转换状态方程后,两种模型的密度、压力、色函数和质点速度计算结果

    Figure  11.  The density, pressure, color function and particle velocity results of the two models after a transformation of equations of states in example of Section 3.2.

  • [1] 张宝銔, 张庆民, 黄风雷. 爆轰物理学[M]. 2006年3月第1版. 北京市: 北京理工大学出版社, 2001: 156, 336–345, 375–390.
    [2] LEE E, FINGER M, COLLINS W. JWL equation of state coefficients for high explosives: UCID-16189[R]. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 1973. DOI: 10.2172/4479737.
    [3] 焦俊杰, 单锋, 王晗程, 等. 基于水下爆炸的爆轰产物JWL状态方程确定方法研究 [J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(9): 093401. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0203.

    JIAO J J, Shan F, Wang H C, et al. Determination of JWL equation of state based on the detonation product form underwater explosion [J]. Explosion and Shock Waves, 2025, 45(9): 093401. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0203.
    [4] MILLER G H, PUCKETT E G. A High-order Godunov method for multiple condensed phases [J]. Journal of Computational Physics., 1996, 128(1): 134–164. DOI: 10.1006/jcph.1996.0200.
    [5] 刘益儒, 胡晓棉. 一种基于Hugoniot关系的爆轰产物等熵状态方程 [J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(1): 60–65. DOI: 10.11883/bzycj-2016-0132.

    LIU Y R, HU X M. An isentropic equation of state of detonation product based on a Hugoniot relationship of detonation product [J]. Explosion and Shock Waves, 2018, 38(1): 60–65. DOI: 10.11883/bzycj-2016-0132.
    [6] 张剑, 谢燕武, 潘跃武, 等. 铝的等温状态方程 [J]. 高压物理学报, 2004, 18(1): 75–77. DOI: 10.11858/gywlxb.2004.01.013.

    ZHANG J, XIE Y W, PAN Y W, et al. Isothermal Equation of State of Aluminium [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2004, 18(1): 75–77. DOI: 10.11858/gywlxb.2004.01.013.
    [7] SHYUE K M. A fluid-mixture type algorithm for compressible multicomponent flow with Mie-Grüneisen equation of state [J]. Journal of Computational Physics, 2001, 171(2): 678–707. DOI: 10.1006/jcph.2001.6801.
    [8] WU Z D, SUN L, Zong Z. A mass fraction based interface capturing method for multi-component flow [J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2013, 73(1): 74–102. DOI: 10.1002/fld.3805.
    [9] 柏劲松, 陈森华, 李平, 等. 多介质可压缩流体动力学界面捕捉方法 [J]. 爆炸与冲击, 2004, 24(1): 37–43.

    BO J S, CHEN S H, LI P. Interface capturing method for compressible multi-fluid dynamics [J]. Explosion and Shock Waves, 2004, 24(1): 37–43.
    [10] WARD G M, PULLIN D I. A hybrid, center-difference, limiter method for simulations of compressible multicomponent flows with Mie-Grüneisen equation of state. Journal of Computational Physics 2010, 229(8): 2999–3018. DOI: 10.1016/j.jcp.2009.12.027.
    [11] 吴宗铎, 赵勇, 严谨, 等. 球坐标系下多介质混合物模型的数值模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(5): 054204. DOI: 10.11883/bzycj-2018-0075.

    WU Z D, ZHAO Y, YAN J, et al. Numerical simulation about the multi-component mixture model under spherical coordinate system [J]. Explosion and Shock Waves, 2019, 39(5): 054204. DOI: 10.11883/bzycj-2018-0075.
    [12] 吴宗铎, 严谨, 宗智, 等. 扩散界面形式下一种节约时间步的质量分数混合模型 [J]. 计算物理, 2022, 39(5): 510–520. DOI: 10.19565/j.cnki.1001-246x.8453.

    WU Z D, YAN J, ZONG Z, et al. A Diffused Interface Type Mass Fraction Model with Time Steps Saving Mixture Rules [J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(5): 510–520. DOI: 10.19565/j.cnki.1001-246x.8453.
    [13] KERLEY G I. The Linear us-up relation in shock-wave physics: KTS06-1[R]. Appomattox: Kerley Technical Services, 2006.
    [14] SAUREL R, ABGRALL R. A multiphase Godunov method for compressible multifluid and multiphase flows [J]. Journal of Computational Physics, 1999, 150(2): 425–467. DOI: 10.1006/jcph.1999.6187.
    [15] COCHRAN S G, CHAN J. Shock initiation and detonation models in one and two dimensions. UCID-18024[R]. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 1979.
    [16] STEINBERG D J. Spherical explosion and the equation of state of water, UCID-20974 [R]. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 1978.
  • 加载中
图(11)
计量
  • 文章访问数:  377
  • HTML全文浏览量:  49
  • PDF下载量:  47
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-01
  • 修回日期:  2025-09-15
  • 网络出版日期:  2025-09-17

目录

    /

    返回文章
    返回