沖擊波作用下微米尺度金屬顆粒群的動力學行為?

趙信文 李欣竹 張航 王學軍 宋萍 張漢釗 康強 黃金 吳強

(中國工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室,綿陽 621900)

沖擊波作用下微米尺度金屬顆粒群的動力學行為?

趙信文 李欣竹?張航 王學軍 宋萍 張漢釗 康強 黃金 吳強

(中國工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室,綿陽 621900)

(2016年11月11日收到;2017年2月28日收到修改稿)

基于平面化爆驅動飛片高壓加載技術和激光測速技術,研究了沖擊波加載不同粒徑錫顆粒群的微噴射行為以及在空氣中的減速規(guī)律.實驗結果表明,錫顆粒的最快噴射速度隨粒徑增大而顯著增大.通過對微噴射形成過程的三維光滑粒子流體動力學方法數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),大粒徑錫顆粒之間存在較大的空隙結構,沖擊波與空隙結構的相互作用誘導產(chǎn)生高速匯聚射流,空隙結構越大對應的噴射速度也越高.此外,通過研究不同粒徑顆粒在復雜流場中的減速規(guī)律,進一步深化了對微噴射破碎后的顆粒尺度狀態(tài)以及混合輸運特性的認識.研究結果對于預測和分析沖擊波加載微米顆粒群的微噴混合特性具有一定價值.

∶微米顆粒,微噴射,最快噴射速度,減速特性

PACS∶47.15.Uv,62.50.Ef,47.11.—jDOI∶10.7498/aps.66.104701

1 引 言

存在表面缺陷(如車削加工痕、空泡、雜質等)的材料在沖擊波作用下,會噴射出少量高速顆粒態(tài)物質,即所謂的微噴射現(xiàn)象[1?6].該現(xiàn)象廣泛存在于沖擊動力學過程中,并在眾多技術應用領域具有關鍵的影響作用.例如,在激光間接驅動慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)中,激光沖擊加載誘導的多層靶界面間發(fā)生的大尺度密度不均勻和中小尺度材料混合是影響聚變點火成功的關鍵因素[7].在極端條件下的材料界面診斷中,微噴射現(xiàn)象的發(fā)生會嚴重影響如高速攝影[8]、激光測速[9]/測距[10]、界面測溫[11,12]等技術的測量精度,部分情況下界面信息甚至被微噴物完全掩蓋而無法實現(xiàn)有效診斷.開展深入的材料微噴混合問題研究在工程技術應用領域具有重要意義.

在微噴混合問題的研究中,利用沖擊波加載金屬顆粒群來產(chǎn)生特定的微噴射狀態(tài)是一種重要的實驗技術.由于其噴射狀態(tài)相對簡單可控,該類實驗被廣泛用于微噴混合測試系統(tǒng)的不確定度評估、顆粒在氣體中的混合輸運特性研究,以及混合輸運模型檢驗等.2006年,馬云等[13]采用沖擊加載面密度經(jīng)過精確標定的鋁粉顆粒群的方法,標定了Asay[14]膜技術測量微噴顆粒總質量的不確定度.2012年,Oró等[15]開展了爆轟加載鋁基板表面粘附微米尺度鎢粉的模擬噴射實驗,研究鎢顆粒分別在真空、氬氣、氙氣中的混合輸運過程,并以此來校驗并改進其發(fā)展的顆粒輸運模型.2015年,Rousculp等[16]在PHELIX磁驅裝置上開展了柱面粘粉實驗,研究柱面匯聚條件下鎢顆粒在氬氣和氙氣中的混合輸運特征.雖然粘粉類實驗技術已被廣泛使用,但目前針對沖擊波加載金屬顆粒群產(chǎn)生微噴射過程的物理機理和噴射特性的研究相對較少,尤其是缺乏初始顆粒粒徑、材料物性、加載壓力等對噴射狀態(tài)影響的系統(tǒng)性認識.在上述研究工作中,通常需要靠人為經(jīng)驗給出沖擊加載后的顆粒尺度及其對應的初始速度等,缺乏相應的物理依據(jù).因此,有必要對沖擊波作用下金屬顆粒群的動力學行為開展深入研究.

本文對沖擊加載金屬顆粒群產(chǎn)生微噴射過程的物理機理開展了初步研究,并重點考察了初始顆粒粒徑對加載后噴射物的速度和顆粒尺度的影響.實驗采用化爆驅動飛片技術沖擊加載四種不同粒徑的錫顆粒產(chǎn)生噴射狀態(tài),利用任意反射面位移干涉激光測速(DISAR)技術[9]測量了微噴物顆粒在空氣中的減速規(guī)律,并通過分析其減速特征,給出破碎后的顆粒度狀態(tài).同時,利用三維光滑粒子流體動力學方法[17,18](smoothed particle hydrodynamics,SPH),對錫顆粒的高速噴射過程進行了定性模擬,分析了初始顆粒粒徑對最快噴射速度和空間物質分布的影響.該工作為粘粉類微噴實驗設計及結果分析提供了一定的參考.

2 基板粘粉模擬微噴射實驗

本文采用化爆驅動飛片的方式產(chǎn)生平面高壓加載,實驗系統(tǒng)見圖1.具體為單根雷管起爆一塊鋁基平面網(wǎng)絡起爆板(厚8 mm,裝藥為1 mm厚的GI-920)產(chǎn)生平面爆轟波,進而引爆TNT主炸藥(?100×20 mm)作為飛片驅動源.主炸藥與鉭飛片(?70×2 mm)之間預置1 mm 空氣間隙以減弱爆轟波引起的飛片變形,TNT爆轟產(chǎn)物驅動飛片在空氣中加速22 mm后加載到鈦基板(15 mm厚)上,形成約30 GPa的平面沖擊波.在鈦基板自由面一側預置不同粒徑的錫粉,沖擊波加載錫粉并使其以高于基板自由面的速度噴出.實驗中利用DISAR技術測量了沖擊波加載不同粒徑錫粉后產(chǎn)生的微噴射顆粒在空氣中的減速特征.

在沖擊波加載含缺陷金屬表面誘導的微噴混合問題中,微噴物的顆粒尺度一般在數(shù)十納米到十幾微米之間[19].采用粘粉實驗技術來模擬實際的金屬微噴射過程時,其噴射狀態(tài)應盡量接近.對此,本文選取了四種直徑分別為(0—0.1),(0.5—1),(5±1),(10±1)μm的準球形錫粉顆粒(在相應尺寸范圍內(nèi)的粉體質量分數(shù)大于90%)作為研究對象,來對比不同初始顆粒粒徑對微噴射狀態(tài)的影響.此外,由于粘粉面密度也是影響噴射特性的主要因素,實驗中需要對粘粉面密度進行準確的測量并保證其盡量接近.對比本文利用在高光潔鋼膜上粘粉的方式實現(xiàn).具體方法為∶在?12×0.2 mm的高光潔鋼膜表面均勻涂覆一層極薄的真空油脂,將油脂量控制在粘粉總量的5%以內(nèi),之后在油脂表面均勻噴灑不同粒徑的錫粉,利用高精密電子天平(BP01D)分別對涂抹油脂和粘粉后的鋼膜樣品稱重,從而計算得到粘粉面密度,結果如表1所列.最后將制備的粘粉樣品粘接在鈦基板?20 mm的圓周上.

表1 粘粉狀態(tài)Table 1.The state of the pasted Sn particles.

3 結果與分析

3.1 加載動力學狀態(tài)

加載動力學狀態(tài)是影響顆粒群微噴射行為的關鍵因素,需開展詳細的分析.圖2為DISAR測量的鈦基板中心點自由面卸載的速度頻譜結果.在56μs前鈦基板自由面速度出現(xiàn)緩慢上升,這是因為整個實驗在大氣環(huán)境中開展,鉭飛片在碰撞鈦基板前驅動空氣產(chǎn)生的氣體沖擊波在鈦基板中提前形成弱加載.飛片加載后鈦基板自由面卸載速率峰值為2.07×103m/s,利用沖擊波關系(1)式可計算得基板中近自由面的加載峰值壓力為30.8 GPa.

其中,P為沖擊波壓力;ρ0為材料密度;C0和λ為沖擊波和粒子速度的線性相關系數(shù),相關材料參數(shù)見表2;up為材料中波后粒子速度,根據(jù)沖擊波在自由面卸載的波后粒子速度與自由面速度的近似關系式[20],波后粒子速度約為自由面速度的一半,在本實驗中up為1.035×103m/s.由于本文實驗中采用的鉭飛片厚度遠小于鈦基板厚度,加載后形成的方波受后向稀疏波影響而轉變?yōu)槿遣?這使得自由面速度快速下降并使鈦基板發(fā)生層裂,根據(jù)(2)式層裂厚度近似關系[21]可計算得層裂片厚度約為1.5 mm.

其中,δ為層裂片厚度,Cb為卸載后的材料體波聲速,本文取6.16×103m/s;?t為自由面速度振蕩周期,在本實驗中約為0.5μs,見圖3.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)鈦基板自由面卸載速度曲線Fig.2.(color online)Measured velocity of the Ta surface versus time.

表2 材料參數(shù)Table 2.Parameters of Ti,Sn and steel.

從圖3局部放大的鋼膜自由面速度圖像中可以看出,鋼膜卸載時自由面首次起跳速度約為1.48×103m/s,利用阻抗匹配法[20]計算得對應加載到密實態(tài)錫中的壓力約為25 GPa,略高于錫的卸載熔化壓力(20—25 GPa).事實上,由于實驗中錫粉為松堆積狀態(tài),約為密實態(tài)錫體密度的30%—50%,沖擊波加載到疏松態(tài)錫顆粒群中的溫度會更高,并使其發(fā)生卸載熔化.

為方便對實驗結果的分析解讀,本文利用Autodun軟件對加載動力學狀態(tài)進行了模擬,材料參數(shù)選自軟件自帶材料庫,計算結果如圖3所示.圖中將飛片、自由面的初始起跳時間均調整為零點.從圖中可以看出,數(shù)值模擬給出的自由面卸載速度曲線與實驗結果符合較好,說明數(shù)值模擬結果可信.數(shù)值模擬得到的鉭飛片碰撞速度為1.5 km/s,鈦基板中心位置的沖擊波壓力峰值為31.2 GPa,層裂片厚度約為1.8 mm,與實驗基本相符.此外,數(shù)值模擬結果表明,當沖擊波在基板自由面卸載時,鈦基板?20的位置已經(jīng)受到邊側稀疏波的影響,該區(qū)域的加載壓力略低于中心點.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)鈦自由面速度和鉭飛片速度的數(shù)值模擬結果Fig.3.(color online)Simulated velocity of Tifree surface and Tafl yer.

3.2 最快噴射速度

圖4為采用DISAR技術測量的沖擊波加載不同粒徑錫顆粒產(chǎn)生的微噴射顆粒群在空氣中的減速曲線,其中1μm顆粒狀態(tài)的信噪比相對較差.對比四個測點噴射物速度首次起跳時刻,同步性優(yōu)于50 ns,說明本文實驗具有很高的周向加載均勻性.此外,由于0.1μm和1μm顆粒的尺度較小,DISAR技術采用的探測光(波長1550 nm)對該尺度顆粒的穿透性相對較強,因此,在其速度頻譜中能同時觀測到噴射物速度和鋼膜的運動速度信息.

從圖4中可以看出,錫粉顆粒在沖擊波作用下以遠高于鋼膜自由面的速度噴出,并且最快噴射速度隨顆粒粒徑的增大而增大,其中0.1μm和1μm顆粒的最快噴射速度相近,約為1.74倍的Vfs(Vfs為鋼膜自由面卸載首次起跳速度,本實驗中為1480 m/s),5μm顆粒為2.2 Vfs,10μm顆粒為2.6 Vfs.通過對比分析發(fā)現(xiàn),在顆粒粒徑為5μm和10μm狀態(tài)時,鋼膜表面密排的錫顆粒之間組成尺度較大的空隙結構,見圖5,微噴射現(xiàn)象即來源于沖擊波與這些空隙缺陷的相互作用,而且粒徑越大顆粒間的空隙結構也越大,誘導產(chǎn)生的噴射物速度也就越高.而在0.1μm和1μm狀態(tài)時,這種顆粒間的亞微米尺度缺陷對微噴射的影響很小,此時的噴射物主要來源于顆粒群構成的微米尺度缺陷結構,因此在最快噴射速度上兩者相差不大.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)沖擊波加載不同粒徑錫顆粒的微噴射速度 (a)0.1μm;(b)1μm;(c)5μm;(d)10μmFig.4.(color online)Measured velocities of micro-ejecta with different particle sizes:(a)0.1μm;(b)1μm;(c)5μm;(d)10μm.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)顆粒間空隙結構示意圖Fig.5.(color online)The profile of the gap among Sn particles.

為進一步驗證上述微噴射產(chǎn)生的機理,本文利用三維SPH方法模擬了沖擊波加載錫顆粒群誘導的微噴射形成過程.針對SPH算法,Liu等[17]在其著作中給出了詳細的介紹,本文不再贅述.由于實際樣品表面的顆粒堆積狀態(tài)非常復雜,數(shù)值模擬很難完整地復現(xiàn)實驗狀態(tài),對此本文只對5μm和10μm的兩種大顆粒組成的典型缺陷結構進行定性模擬.數(shù)值模擬采用的簡化物理模型為∶設定一剛性固壁以890 m/s的速度加載不同粒徑的錫顆粒,對應加載到密實態(tài)錫中的壓力為25 GPa.同時,考慮到?jīng)_擊波加載后錫顆粒群發(fā)生卸載熔化,在計算中不考慮錫的強度影響.計算采用的材料參數(shù)見表2,SPH單元尺寸為0.2μm.

從圖6中可以看出,在沖擊波作用下,顆粒間的空隙位置產(chǎn)生了高速匯聚射流,10μm狀態(tài)的射流頭部速度達到約5 km/s,5μm時約為3.8 km/s,模擬結果與實驗結果定性一致.這證實了當顆粒尺度較大時,沖擊波與顆粒間缺陷結構的相互作用是微噴射產(chǎn)生的主要原因,同時也解釋了最快噴射速度隨顆粒尺度增大而顯著增大的物理機理.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)沖擊波與顆粒空隙相互作用誘導的微噴射形成過程 (a)5μm;(b)10μmFig.6.(color online)Temporal evolutions of the micro-ejection induced by the interaction of gaps among particles with different sizes:(a)10μm;(b)5μm.

3.3 微噴射前端顆粒減速

金屬微噴射研究表明,沖擊波與表面缺陷誘導的微射流在演化過程中受速度梯度、氣動力、表面張力等影響,會迅速斷裂/破碎成顆粒態(tài)[22],并在氣體中減速.圖7給出了沖擊波加載四種粒徑顆粒產(chǎn)生微噴射前端顆粒在空氣中的減速曲線,該速度曲線為圖4中顆粒群速度頻譜的上沿.從圖中可以看出,四種顆粒尺度狀態(tài)的微噴射前端顆粒減速規(guī)律基本一致.在初始階段,由于微噴射頭部顆粒速度要遠高于鋼膜運動產(chǎn)生的氣體沖擊波速度(本文中約為2100 m/s),這時顆粒在靜止氣體中運動,與氣體的相對速度差約8—11Ma,在氣動阻力作用下顆粒速度迅速下降.隨后,顆粒持續(xù)減速并當其空間位置處于氣體沖擊波波后時,顆粒速度與波后氣體速度差減小,速度趨于恒定.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同顆粒狀態(tài)誘導噴射的前沿顆粒減速曲線Fig.7. (color online)Temporal evolution of tipvelocity of micro-ejecta particles with different sizes.

同時,在0.1μm顆粒狀態(tài)減速曲線的1μs時刻有一個較弱的速度回跳,結合鈦基板自由面的速度曲線分析,這極有可能是因為鈦基板層裂片的速度回跳對錫粉造成二次加載,產(chǎn)生了新的高速微噴顆粒[23].然而,在其他尺度的顆粒狀態(tài)中卻并未觀測到該現(xiàn)象.正如前文提到的DISAR探測光對0.1μm顆粒群具有良好的穿透性,因此能捕捉到這種發(fā)生在鋼膜近表面的二次加載效應,而在其他尺度的顆粒狀態(tài)下DISAR探測光被前端高速噴射物遮擋而未觀測到該信號.目前,對二次加載產(chǎn)生微噴射現(xiàn)象的物理認識還不完善,有必要在后續(xù)工作中開展進一步的研究.

3.4 微噴射顆粒尺度及其混合輸運

在微噴混合問題研究中,微噴物的顆粒尺度及其在氣體中的混合輸運行為也是目前關注的重要內(nèi)容.為進一步了解粘粉實驗中噴射物的顆粒尺度及其輸運過程,本文采用拉格朗日框架下的顆粒軌道模型來模擬不同粒徑顆粒在復雜流場中的運動.針對該模型Fung等[24]以及王裴等[25]給出了詳盡的介紹,本文不再贅述.在此,需要指明的一點是,本文計算中顆粒在氣體中運動受到的氣動阻力系數(shù),采用Igra等[26]基于激波管實驗擬合得到的阻力系數(shù)公式得到,見(3)式,文獻中指出該公式可較為可靠的應用于200≤Re≤10100的強可壓縮超音速流動條件.其中,Cd為阻力系數(shù),Re為雷諾數(shù).

本文的基本思路是計算不同粒徑顆粒以不同的初速度在鋼膜推出氣區(qū)流場中運動,選擇合適尺度和初速度的顆粒減速曲線來擬合實驗測量結果.兩相流研究表明,相同初始條件下粒徑越大的顆粒減速越慢,利用該方法可近似給出不同初始噴射速度下的前端顆粒尺度上限,計算結果如圖8所示,圖中D為顆粒直徑,Vini為顆粒初始速度.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)數(shù)值模擬的不同粒徑顆粒減速曲線 (a)0.1μm;(b)1μm;(c)5μm;(d)10μmFig.8.(color online)Simulated transport velocity for different particle sizes:(a)0.1 μm;(b)1 μm;(c)5 μm;(d)10 μm.

從對沖擊波加載不同粒徑的錫顆粒誘導產(chǎn)生的微噴射前端顆粒減速曲線的擬合結果來看,噴射速度越高的顆粒其尺度越小,從微噴射頭部到低速區(qū)顆粒尺度依次增大,這與Sorenson等[22]利用超高分辨率全息照相技術獲得的顆粒尺度分布結果一致.進一步對比噴射物的顆粒尺度發(fā)現(xiàn),5μm和10μm顆粒在加載后形成的噴射物顆粒尺度總體減小,而0.1μm和1μm的顆粒在加載后其噴射顆粒尺度反而增大.如前文所述,大尺度顆粒的噴射物來源于沖擊波與顆粒空隙缺陷的相互作用,其射流體尺度本身要小于初始的錫顆粒尺度,并在自身速度差及氣動力作用下進一步發(fā)生了破碎.而小尺度顆粒的噴射物主要來源于顆粒群組成的大尺度缺陷,卸載熔化后的錫顆群存在一定的聚合.

對不同粒徑顆粒的減速特征模擬結果表明,微噴射顆粒群在減速過程中,小尺度顆粒的空間位置逐漸落后于大尺度顆粒,DISAR技術測量的前端減速曲線,實際上是不同粒徑顆粒速度耦合的結果.此外,分析圖8(a)中數(shù)值計算給出的1μm尺度顆粒的減速過程發(fā)現(xiàn),微噴射前端的高速小尺度顆粒在初始階段速度高于氣體沖擊波速度,并在靜止流場中快速減速,當其空間位置處于波后氣體流場時,在氣動力作用下顆粒被再次加速.該過程正好與圖4(a)中56—58μs之間鋼膜速度頻譜下方先減速后加速的速度頻譜結果相符.同時,模擬結果顯示部分減速過快的顆粒在運動過程中會重新回貼到鋼膜上.

4 結 論

本文研究了沖擊波加載不同粒徑微米錫顆粒群的微噴射行為,發(fā)現(xiàn)初始錫顆粒尺度對微噴射過程有顯著影響,顆粒粒徑越大產(chǎn)生的微噴射速度越快,破碎后的顆粒尺度也相對較大.通過對微噴射形成過程的SPH模擬,揭示了微噴射產(chǎn)生的機理,及最快噴射速度隨顆粒尺度變化的原因.此外,基于顆粒軌道模型進一步模擬了不同粒徑顆粒在復雜流場中的減速特性,并通過與實驗結果對比,初步給出了微噴顆粒的尺度分布狀態(tài).上述結果可用到粘粉類微噴射實驗設計和分析,以及顆粒在氣體中的混合輸運過程研究等方面.

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*Project supported by the Science Challenge Project,China(Grant No.JCKY2016212A501).

?Corresponding author.E-mail:yy_stroller@163.com

Dynamical behaviors of Sn micro-sphere particles under shock wave action?

Zhao Xin-Wen Li Xin-Zhu?Zhang Hang Wang Xue-Jun Song Ping Zhang Han-Zhao Kang Qiang Huang Jin Wu Qiang
(Laboratory for Shockwave and Detonation Physics,Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

11 November 2016;revised manuscript

28 February 2017)

In these decades,the turbulence mixing of micro-ejecta particles and gas has attracted considerable attention because it has great influence on inertial confinement fusion and some technologies of optical detection.It is significantly important for studying the evolution of micro-ejecta by investigating the influence of particle size and the transporting progress.In this paper,we experimentally investigate the micro-ejecta dynamical behaviors when a strong shockwave acts on Sn micro-sphere particles with different sizes of 0.1μm,1μm,5μm and 10μm.A strict experiment is carried out,in which a thin Tafl yer is accelerated by TNT explosion to load the Sn particles,and the velocity variation of ejecta particles transported in air is measured by the displacement interferometer system for any reflector.The results show that the tip-velocity of the micro-ejecta is very sensitive to the initial size of particle,where the larger size results in increased velocity.By analyzing the results of each case in detail,we discover that the formation of micro-ejecta is caused by the interaction between shockwave and the gap structure among several particles,where the larger gap structure induces faster ejecta tip-velocity.To verify this explanation,the effects of particle size on the ejecta tip-velocity is examined by simulating the cases of 5 μm and 10 μm in particle size through three-dimensional smooth particle hydrodynamics method.The simulated tip-velocity results are in good agreement with the corresponding experimental results.However,the scenario is different when the particle size is smaller than 1μm,where the experimentally measured tip-velocity of 0.1μm size particle is nearly the same as that of 1μm size particle.We attribute this to the fact that the gap structure is too small to affect the micro-ejecta progress and the micro-ejecta is mainly caused by the large scale defects accumulated by a huge number of particles.Furthermore,by comparing with the experimentally measured velocity decay,we also estimate the size distribution of ejecta particles by simulating the decelerating processes of different-sized particles with different initial velocities in gas.This paper is helpful in comprehending in depth the micro-ejecta process caused by the shockwave acting on micro particles,and also in designing such experiments accurately.

∶micron particles,micro-ejection,ejecta tip-velocity,particle transport

?科學挑戰(zhàn)專題(批準號:JCKY2016212A501)資助的課題.

?通信作者.E-mail:yy_stroller@163.com

?2017中國物理學會Chinese Physical Society