柱筒构型的电磁内爆、压缩实验与磁流体力学数值模拟

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电磁驱动实验对负载构型进行准等熵压缩是一项重要的动高压实验加载技术,能够以偏离Hugoniot(冲击压缩状态)的热力学路径,达到TPa量级的超高压强,是研究物质在高能量密度极端状态下的力学及物理性质、建立材料超高压强状态方程的重要实验手段,在材料动力学、核武器物理、极端状态凝聚态物理、热核聚变等研究领域具有广泛的应用前景。本文以中国工程物理研究院流体物理研究所研制的CQ/CJ两类系列高功率脉冲装置为实验平台,开展了三种柱筒负载构型的电磁驱动和压缩实验,它们分别是:金属圆柱套筒高速电磁内爆实验、低电感紧包腔方柱筒构型的平面磁驱动实验,以及圆柱形炸药内爆磁通量压缩发生器(MC-1)实验。本文使用一维磁流体力学数值模拟程序SSS-MHD进行数值计算,计算始终贯穿于这三种实验研究之中,起到了实验设计、参数选择、数据分析等重要作用。本论文取得的主要研究结果如下:(1)对原有的SSS-MHD程序进行了修正、补充和完善,提出了平面磁腔磁场(磁压)近似计算的合理方法,扩展了程序计算功能、丰富了材料模型,提高了该程序计算的精度、通用性与可信度。(2)在CQ-3磁驱动装置上开展了脉冲电流作用下小型圆柱套筒高速电磁内爆实验。以峰值2.1 MA、上升沿480 ns的电流,驱动初始内直径约5 mm、厚度约0.5 mm的2A12铝套筒,达到了 6.57 km/s的内爆速度,获得了 19 GPa的准等熵加载压力。提出了电路耦合的双薄壳(套筒/回流壳)运动解析模型,能够有效地模拟套筒的运动特性,并可应用于物理实验设计。(3)设计了具有低电感特点的紧包腔实验构型并进行了实验验证,结果表明紧包腔构型能够有效地抑制条片构型中侧面边界稀疏波的影响,延长磁压驱动时间,进而可以通过缩小结构宽度尺寸的方式来提高样品的等效加载电流密度。基于前述结果设计了紧包腔飞片负载,在CQ-7磁驱动装置上以峰值3~3.3 MA,上升沿360 ns的电流、驱动初始厚度0.2~0.3 mm的2A12铝飞片,飞片达到的最高速度约为8 km/s。(4)使用CJ-100型MC-1装置开展了 DT4铁材料的准等熵压缩实验,将内侧为铁材料、外侧为铜材料的空心夹层圆柱筒靶(初始内半径3 mm,总厚度2 mm,铁、铜材料厚度各为1mm)驱动到了 6.43 km/s的速度,在铁材料样品中形成约206 GPa的准等熵加载压力。同时为LiD材料的动高压金属化实验设计了加载压力峰值为350 GPa的实芯靶,并预测了实验结果。
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