许爱国_复杂系统与统计物理.pdf

冲击与爆轰相关的复杂系统模拟冲击与爆轰相关的复杂系统模拟 研究 研究 Lattice Boltzmann 理论与应用理论与应用 许爱国许爱国 北京应用物理与计算数学研究所北京应用物理与计算数学研究所 2 提纲提纲 1 引言与概述引言与概述 课题简介课题简介 复杂物理场的描述 建模复杂物理场的描述 建模 多尺度问题的认知模式 问题与挑战多尺度问题的认知模式 问题与挑战 复杂物理场的分析复杂物理场的分析 局域平均和涨落局域平均和涨落 湍流混合 体积耗散等熵增过程湍流混合 体积耗散等熵增过程 物理场的形态分析技术物理场的形态分析技术 团簇识别与分析团簇识别与分析 特征结构识别与追踪技术特征结构识别与追踪技术 2 Lattice Boltzmann理论与应用理论与应用 3 非均质材料冲击动力学非均质材料冲击动力学 3 1 1 引言与概述引言与概述 4 1 1 1 1 课题简介课题简介 冲击与爆轰相关的复杂构型与动态物理场模拟研究冲击与爆轰相关的复杂构型与动态物理场模拟研究 根据描述和模拟方法 可分为两大块 根据描述和模拟方法 可分为两大块 一块基于流体模型描述 主要工具为主要工具为Lattice Boltzmann Method LBM Lattice Boltzmann Method LBM 主要研究可 主要研究可 压流体系统 多相流系统 燃烧和爆轰系统 既关心模型压流体系统 多相流系统 燃烧和爆轰系统 既关心模型 构建 又关心物理系统的特征 机制和规律 构建 又关心物理系统的特征 机制和规律 当然 在我们的实际研究中 这三类系统往往又不是独立的 当然 在我们的实际研究中 这三类系统往往又不是独立的 例如 含冲击波的可压流体系统也是多相流系统 燃烧和例如 含冲击波的可压流体系统也是多相流系统 燃烧和 爆轰系统本身就是可压系统 多相流系统 爆轰系统本身就是可压系统 多相流系统 我们重点关我们重点关注注工工业与科学领域极业与科学领域极其重要的流体不稳定性问题其重要的流体不稳定性问题 RTRT不稳定性 不稳定性 RMRM不稳定性 不稳定性 KHKH不稳定性等 冲击波与不稳定性等 冲击波与 多相流的相互作用 爆燃转爆轰及其反过程 等等 多相流的相互作用 爆燃转爆轰及其反过程 等等 5 另一块基于固体模型描述 主要工具为分子动力学 位错动力学 物质点方法主要工具为分子动力学 位错动力学 物质点方法 Material Point Method MPMMaterial Point Method MPM 主要研究非均质材料冲击响应过程中的物理特征 冲击卸主要研究非均质材料冲击响应过程中的物理特征 冲击卸 载过程中的拉伸断裂问题等载过程中的拉伸断裂问题等 在高速冲击与爆轰过程中 如果外部应力远大于材料在高速冲击与爆轰过程中 如果外部应力远大于材料 的屈服强度 则固体物质表现出流体行为 相当一部的屈服强度 则固体物质表现出流体行为 相当一部 分动力学特征可采用流体模型来描述 如果物质粒子分动力学特征可采用流体模型来描述 如果物质粒子 的动能远远大于物质粒子之间的势能 则固体材料甚的动能远远大于物质粒子之间的势能 则固体材料甚 至可用理想气体模型来描述 所以 至可用理想气体模型来描述 所以 LBMLBM也可用于这些也可用于这些 过程相当一部分特征的模拟研究 过程相当一部分特征的模拟研究 6 1 2 1 2 复杂物理场的描述 建模复杂物理场的描述 建模 就冲击与爆轰问题 以前研究较多的是一些整体特征 就冲击与爆轰问题 以前研究较多的是一些整体特征 例如例如HugoniotHugoniot关系 状态方程等 关系 状态方程等 强冲击或爆轰加载引发非均质材料内空隙的塌缩 射流强冲击或爆轰加载引发非均质材料内空隙的塌缩 射流 的产生 二次冲击加载等复杂过程 其卸载过程导致孔洞的产生 二次冲击加载等复杂过程 其卸载过程导致孔洞 的成核 生长 裂纹的形成等 的成核 生长 裂纹的形成等 在这类动力学过程中 材料内部的构型和物理场在这类动力学过程中 材料内部的构型和物理场 温度 密度 温度 密度 粒子速度 各种应力等的分布粒子速度 各种应力等的分布 极其复杂且随时间快速变化极其复杂且随时间快速变化 由于涉及复杂构型 多尺度 动态物理场 这类问题的由于涉及复杂构型 多尺度 动态物理场 这类问题的 模拟和分析均具有较强的挑战性 模拟和分析均具有较强的挑战性 比面积的倒数比面积的倒数 到 爆 轰 距 离 到 爆 轰 距 离 7 1 2 1 2 复杂物理场的描述 建模复杂物理场的描述 建模 就冲击与爆轰问题 以前研究较多的是一些整体特征 就冲击与爆轰问题 以前研究较多的是一些整体特征 例如例如HugoniotHugoniot关系 状态方程等 关系 状态方程等 强冲击或爆轰加载引发非均质材料内空隙的塌缩 射流强冲击或爆轰加载引发非均质材料内空隙的塌缩 射流 的产生 二次冲击加载等复杂过程 其卸载过程导致孔洞的产生 二次冲击加载等复杂过程 其卸载过程导致孔洞 的成核 生长 裂纹的形成等 的成核 生长 裂纹的形成等 在这类动力学过程中 材料内部的构型和物理场在这类动力学过程中 材料内部的构型和物理场 温度 密度 温度 密度 粒子速度 各种应力等的分布粒子速度 各种应力等的分布 极其复杂且随时间快速变化极其复杂且随时间快速变化 由于涉及复杂构型 多尺度 动态物理场 这类问题的由于涉及复杂构型 多尺度 动态物理场 这类问题的 模拟模拟和和分析分析均具有较强的挑战性 均具有较强的挑战性 比面积的倒数比面积的倒数 到 爆 轰 距 离 到 爆 轰 距 离 8 1 2 1 2 复杂物理场的描述 建模复杂物理场的描述 建模 非线性系统演化过程中会出现各种尺度的空间非线性系统演化过程中会出现各种尺度的空间 结构 这些结构和场的特性与演化模式决定着相结构 这些结构和场的特性与演化模式决定着相 应物理系统的各种性能 应物理系统的各种性能 随着时间和空间尺度逐步缩小的科学技术的发随着时间和空间尺度逐步缩小的科学技术的发 展 逐步形成了展 逐步形成了多尺度问题的认知模式多尺度问题的认知模式 系统整体性质是主要取决于大尺度上的结构演化 系统整体性质是主要取决于大尺度上的结构演化 小尺度结构和快过程影响着大尺度行为和慢过程 小尺度结构和快过程影响着大尺度行为和慢过程 对于非均匀非平衡和强耦合系统认识的关键是掌握对于非均匀非平衡和强耦合系统认识的关键是掌握 其结构和相应的演化规律 其结构和相应的演化规律 9 物理描述与建模物理描述与建模 分子动力学分子动力学 第一原理第一原理 位错动力学位错动力学 物质点方法物质点方法 格子玻尔兹曼格子玻尔兹曼 在研究过程中 我们依照不同尺度上的结构 演在研究过程中 我们依照不同尺度上的结构 演 化特点选用相应的研究方法和理论化特点选用相应的研究方法和理论 分子动力学模拟 孔洞拉伸与位错演化分子动力学模拟 孔洞拉伸与位错演化 使用分子动力学模拟上千万个原子的运动 研究晶体使用分子动力学模拟上千万个原子的运动 研究晶体 中几条位错的运动 位错与其它缺陷的作用 相变早期中几条位错的运动 位错与其它缺陷的作用 相变早期 的成核过程 的成核过程 这些结果为位错动力学模拟提供位错迁移率 位错源 位错这些结果为位错动力学模拟提供位错迁移率 位错源 位错 反应 位错交联 位错与其它缺陷的作用等微观本构 反应 位错交联 位错与其它缺陷的作用等微观本构 CDD 使用位错动力学模拟万条位错线的集体迁移 聚集 使用位错动力学模拟万条位错线的集体迁移 聚集 研究较大晶体或多晶中的微观塑性变形 延性材料断研究较大晶体或多晶中的微观塑性变形 延性材料断 裂前期微空洞的成核 生长和融合过程 裂前期微空洞的成核 生长和融合过程 位错动力学提供的应力应变关系 位错密度 微空洞微裂纹位错动力学提供的应力应变关系 位错密度 微空洞微裂纹 的演化规律为宏观弹塑性和断裂本构建模提供物理参考 的演化规律为宏观弹塑性和断裂本构建模提供物理参考 DDD 物质点模拟物质点模拟 使用物质点方法模拟非均质材料的动力学性质 使用物质点方法模拟非均质材料的动力学性质 研究介质中较大尺寸 比如研究介质中较大尺寸 比如1010微米量级 的空洞和微米量级 的空洞和 裂纹的生长 演化过程 裂纹的生长 演化过程 这些研究为材料宏 细观断裂建模 复合或多孔材料的这些研究为材料宏 细观断裂建模 复合或多孔材料的 宏观力学提供本构基础 宏观力学提供本构基础 格子玻尔兹曼模拟格子玻尔兹曼模拟 使用格子玻尔兹曼从流体角度描述材料特征 研究冲击与使用格子玻尔兹曼从流体角度描述材料特征 研究冲击与 爆轰条件下的复杂 多相系统 爆轰条件下的复杂 多相系统 提供系统偏离平衡所导致的宏观效应 提供系统偏离平衡所导致的宏观效应 14 问题与挑战问题与挑战 从模拟角度 物理模型构建 算法稳定性等从模拟角度 物理模型构建 算法稳定性等 从分析角度 复杂系统数值模拟会产生海量数从分析角度 复杂系统数值模拟会产生海量数 据 各种复杂构型和物理场 如何从这些数据中据 各种复杂构型和物理场 如何从这些数据中 有效地提取信息 从而得出正确的物理规律是一有效地提取信息 从而得出正确的物理规律是一 个极具挑战性的课题 个极具挑战性的课题 这些结构往往缺乏周期性 对称性 空间均匀性和这些结构往往缺乏周期性 对称性 空间均匀性和 明显的关联性等明显的关联性等 对它们的识别和分析一直是个薄弱环对它们的识别和分析一直是个薄弱环 节节 目前工程应用建模是宏观物理量和内部变量演化的目前工程应用建模是宏观物理量和内部变量演化的 唯象模型 基于物理的建模必需考虑材料内复杂物理唯象模型 基于物理的建模必需考虑材料内复杂物理 场的特征和运动规律 以便选择合适的内部变量和建场的特征和运动规律 以便选择合适的内部变量和建 立合理的演化方程 立合理的演化方程 15 分析工作很难由专门的算法研究人员完成 分析工作很难由专门的算法研究人员完成 从哪个角度切入 测量什么 测量数据如何处理 沿哪条线寻找特从哪个角度切入 测量什么 测量数据如何处理 沿哪条线寻找特 征和规律及其背后的原因和机制 征和规律及其背后的原因和机制 这些问题本身就是具体研究内容 这些问题本身就是具体研究内容 其本身就是在不断尝试 失败 总结 再尝试过程中逐步向前推进的 其本身就是在不断尝试 失败 总结 再尝试过程中逐步向前推进的 基本信念基本信念 世界是复杂的 但在其底层上又是简单的世界是复杂的 但在其底层上又是简单的 寻找普适性和相似性 从更底层上认识 不同 寻找普适性和相似性 从更底层上认识 不同 系统或过程中的共同点 是使认识系统化 推进系统或过程中的共同点 是使认识系统化 推进 学科发展的重要途径 学科发展的重要途径 16 2 Lattice Boltzmann理论与应用理论与应用 以多相流 高速可压流体系统 燃烧与爆轰系统的以多相流 高速可压流体系统 燃烧与爆轰系统的LBLB建建 模与模拟为主 侧重模与模拟为主 侧重LBLB作为一个动理学模型在物理描述作为一个动理学模型在物理描述 方面的优势以及通过这些优势获得的部分 方面的优势以及通过这些优势获得的部分 NavierNavier StokesStokes模型所不能描述的 新认识 模型所不能描述的 新认识 17 目录 综合评述综合评述 理论简介理论简介 应用举例应用举例 小结 展望小结 展望 可以通过宏观量研究系统的非平衡行为 可以提供 系统偏离热力学平衡引发的可观测宏观效应是LB建模 优越于传统宏观流体力学建模的地斱 除了LB建模的一些思想 LB应用过程中发展起来的 一系列数据处理技术 特征尺度提取技术 结构分析 技术 有不少可以直接用于各类复杂构型 动态物理 场的数据处理与特征分析 18 目录 综合评述综合评述 理论简介理论简介 应用举例应用举例 除了常见的复杂流体之外 LB斱法同样适用