爆力炸学数值方法及其模拟研究的简要综述-范文1.doc

PAGE PAGE 17 爆炸力学数值方法及其模拟研究的简要综述? ? 项目资助： 作者简介： 吴开腾1,2,宁建国3 (1.四川省普通高等学校数值仿真重点实验室，内江师范学院；2.内江师范学院数学系，四川，内江，641112；3.北京理工大学 爆炸灾害与预防国家重点实验室,北京 100081) 摘要：本文回顾了爆炸力学计算的基本理论、计算方法及其应用现状，总结了自主开发爆炸与冲击问题数值模拟程序的过程，主要分析了爆炸与冲击问题数值模拟程序MMIC(3D)、可视化软件Visc2D和Visc3D、驾驭式计算技术和模糊界面处理技术在爆炸场数值模拟中的应用．流体与固体耦合、可视化计算中的着色、数值计算中的驾驭式技术和界面处理，以及三维数值计算等是爆炸力学计算方法研究中亟待解决的问题，也是爆炸力学数值计算的发展方向和趋势． 关键词：爆炸力学；数值方法；应用；简要综述 1 引言 科学计算的兴起是20世纪最重要的科学进步之一，在各种科学与工程领域中都逐步形成了计算性学科分支．如计算力学、计算物理、计算地震学等等，在国民经济与国防建设的许多重要领域中，计算已经成为必不可少的手段．著名计算物理学家、诺贝尔奖获得者Wilson教授在20世纪80年代就指出：“当今，科学活动可分为三种：理论、实验和计算．定义计算科学最好是通过比较它的核心活动和实验及理论的核心活动．实验科学家从事于测量和设计科学设备及利用这些设备去进行测量，致力于可控、可重复实验的设计以及分析这些实验的误差；理论科学家研究实验数据之间的关系，这些关系满足的原理（如牛顿定律、对称性原理等）及把这些原理运用到具体特殊情形所需的数学概念和技术；计算科学家构造求解科学问题的计算方法，把这些方法软件化、设计和进行试验，分析这些数值试验的误差，他们研究计算方法的数学特征，通过计算揭露所求解科学问题的基本性质和规律．”[1] 虽然，在通常情况下，计算不能代替实验，但计算可以解决一些实验不能处理的问题．科学技术研究的实际问题与理论问题不断提出越来越复杂的数学模型，要求得到近似数值解．过去的研究方式是：先对问题的提法、解的性质（是否存在、是否稳定、是否物理解）、近似方法与误差分析等都作了充分研究之后，才去做数学问题的数值求解．而在现实中，对于一些问题的提法还不十分清楚，解的特性还不十分明确而又急需解决的实际问题，就必须采用一些非标准的方法，如类比、外推、内插、综合、数值试验等数学推理方法，广泛采用这些数学推理方法的有有限元、有限差分等数值方法，而计算机及其应用技术的快速发展改变了传统的科学研究手段和方法，使采用数值方法求解数学问题的范围得到了空前的扩展，并且在这些问题中，出现的方程或方程组在理论上有些暂时还难以作出比较完整和深入的研究，但结合计算机及其相关技术，可以得到所要求精度的数值近似解，从而可以利用数值方法来研究解决科学技术研究中所面临的各种实际问题和理论问题． 总之，计算的作用不能过高估计与过低估计，计算只有与实验进行有机结合才能发挥重要作用，对于解决工程问题，计算可以帮助选型、减少费用、缩短设计周期，但在定型时还需进行实验测量与修正，对于某些特殊问题，计算还是可以代替实验，设计部门在使用计算结果时，很少过分强调结果的精确度，对他们而言，只有有明确使用计算目的才能正确利用计算结果[2,3]． 近年来，爆炸力学计算方法倍受大家的关注，是计算力学中难度较大的一个分支[4]，爆炸力学计算方法当前主要是指研究爆炸力学问题所用的计算方法及其理论．它是一门新兴的边缘学科分支，是在工程力学、大气动力学、计算数学和流体力学等基础上发展起来的一个交叉学科，它研究的是不同于计算数学中所研究的收敛性、稳定性的一般问题，而是研究在差分格网下的收敛性、稳定性、准确度和计算紊乱的控制等更具实际意义的理论问题和具体方法，并且其对象是极其复杂的爆炸流体力学方程组，它也不同于一般的计算流体力学，它主要不是研究高速、间断和定常的流体问题，而是着重研究复杂边界的高速流动的冲击波的传播规律和侵彻问题，即冲击波的传播规律，其计算方法必须能长时间的数值积分． 这里通过回顾爆炸力学计算中的基本理论、计算方法及其应用现状，总结自主开发爆炸与冲击问题数值模拟程序的过程，分析了爆炸与冲击问题数值模拟程序MMIC3D、可视化软件Visc2D和Visc3D、驾驭式计算技术和模糊界面处理技术在爆炸场数值模拟中的应用，讨论了爆炸力学计算方法研究中一些亟待解决的问题和今后发展的方向． 2 爆炸力学研究中数值模拟的必要性和可能性 在现实生活中，为了减轻意外爆炸对建筑物、军事设施和人员等可能发生的破坏和损伤以及对可能发生的爆炸事故作出风险评估，需要对大型爆炸发生后形成的爆炸场做数值模拟研究[5,6]．由于各种目标在爆炸冲击波作用下的破坏程度是一个极其