Численное моделирование ударно-волновых процессов в конструкционных материалах под действием концентрированных потоков энергии Воробьев, Олег Юрьевич

Введение к работе

..pn-r^,!;.-,

Актуальность теш

Исследование динамических и теплофизических процессов протекащих в конденсированных средах в результате интенсивных импульсных воздействий различной природы (высокоскоростной удар, взрыв, рентгеновское излучение, электронные и ионные пучки) необходимо для осуществления таких важных технологических и энергетических проектов как управляемый термоядерный синтез с инерционным удержанием плазмы, противометиоритная защита космических аппаратов, взрывной синтез алмазов, создание новых материалов и т.д.

Экспериментальные исследования в этой области весьма дорогостоящи и требуют проведения теоретического анализа как для выбора оптимальных условий эксперимента так и для итерпритации экспериментальной информации. Теоретический анализ таких экспериментов чрезвычайно сложен, так как состояние вещества в процессе воздействия мощных потоков энергии изменяется в широком диапазоне - от сильносжатых конденсированных состояний за фронтом образующихся ударных волн до сильноразогретой неидеальной плазмы в зоне энерговыделения. Это требует разработки широкодиапазонных моделей для описания как термодинамических свойств среды так и процессов взаимодействия заряженных частиц и фотонов с веществом в широкой области состояний среды.

Динамические процессы протекающие в твердых телах при мощных импульсных воздействиях описываются нелинейными уравнениями в частных производных, решение которых уже в одномерном случае требует привлечения численных методов. Поэтому экспериментальные исследования в этой области выполняются, как правило, в совокупности с численными расчетами. Численное моделирование необходимо для оптимизации мишеней лазерного и ионного термоядерного синтеза, исследования процессов неустойчивости возникающих при обжатии термоядерного горючего, моделирования высокоскоростного соударения микрометеоритов с конструкциями летающих космических аппаратов, прогнозирования аварийных ситуаций в ядерной энергетике, решение задач ионной имплантации и создания новых материалов. К специфике рассматриваемых задач можно отнести наличие различных пространственно-временных масштабов Так, при воздействии мощного ионного пучка на металлические

мишени глубина зоны энерговыделения примерно на порядок меньше расстояния проходимого ударной волной за время импульса и более чем на два порядка меньше радиуса пучка и толщины мишени. Ясно, что численное моделирование подобных задач по однородным схемам сквозного счёта развитым в газодинамике являтся нецелесообразным в силу ограниченных возможностей современных ЭВМ. Поэтому необходима разработка экономичных неоднородных адаптивных численных алгоритмов для решения задач динамики сплошной среды при воздействии мощных потоков энергии. Целью настоящей работы является :

создание математических моделей для описания динамики конструкционных материалов при интенсивных импульсных воздействиях направленных потоков энергии (пучков заряженных частиц, рентгеновского излучения) основе единого феноменологического подхода в широком диапазоне параметров состояния,

создание на базе этих моделей пакета программ для расчета динамики конструкционных материалов при импульсных воздействиях мощных потоков энергии,

применение полученного програмного комплекса для исследования свойств конструкционных материалов совместно с экспериментами по воздействию пучков заряженных частиц на вещество,

- исследование динамики конструкционных материалов при воздей
ствии направленных потоков рентгеновского излучения с энергией
квантов 1-50 КэВ в диапазоне плотности мощности 10⁹-10^1г вт/см^г

Научная новизна и практическая значимость работы:

1. Предложена математическая модель, позволяющая описать динамику конденсированной среды в рамках единого феноменологического подхода в широком диапазоне : от сильносжатых конденсированных состояний до неидеалъной плазмы и упруго тела. Модель удовлетворяет второму закону термодинамики и применима для описания как непрерывных так и разрывных течений среды.

2. Разработаны численные алгоритмы решения задачи о распаде произвольного разрыва в подвижных сетках с учетом разрушения и релаксации касательных напряжений необходимые для построения неоднородных адаптивных алгоритмов расчета динамики среды под действием мощных потоков энергии.

3. Проведены численные расчеты воздействий мощных пучков заряженных частиц на конденсированные мишени позволившие оценить возможность проведения динамических экспериментов на

установках КАЫР и КАЛЬМАР а также интерпритировать данные полученные в экспериментах.

4. Проведено исследование динамики конструкционных материалов при воздействии направленных потоков рентгеновского излучения в диапазоне плотности мощности 10⁹-10¹² вт/см² недоступном экспериментальному исследованию в лабораторных условиях. На защиту выносятся следующие положения:

4. Математическая модель для описания динамики конструкционных материалов при интенсивных импульсных воздействиях, учитывающая разрушение среды, релаксацию напряжений в результате пластической деформации, плавление и испарение.

5. Алгоритмы расчета поглощения энергии рентгена, релятивистских электронов и ионов в конденсированных мишенях сложного состава, работающие совместно с блоком расчета динамики среды в подвижных сетках.

3.-Результаты численного моделирования воздействия пучка протонов ("KALIF") на многослойные мишени. 4. Результаты численного моделирования воздействия релятивистского электронного пучка ("Кальмар") на мишени из алюминия б. Результаты численного моделирования воздействия потоков направленного рентгеновского излучения на конструкционные материалы.

Апробация результатов работы Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции,International Conference on mathematical Models and numerical Methods in the continum Mechanics (Новосибирск, 1991), Международной конференции American Physical Society Topical Conference on Shock. Compression of Condensed Matter (США, Виллиамсбург, 1991), VII Всесоюзной конференции по уравнениям состояния (Эльбрус, 1990), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), I Всесоюзном совещании по высокоскоростному удару (Владивосток 1990), IV и V Всесоюзных совещаниях по воздействию мощных потоков энергии на вещество (Алма-Ата, 1989 и 1991), а также на научно-технических конференциях МФТИ (осень 1989) и ОИХФ (1989, 1990).

Структура диссертации

Диссертация состоит.из введения, четырех глав и заключения с основными выводами. Она содержит 126 страниц, в том числе 44 рисунков, I таблицу и библиографию из 151 наименований.