От атомистического к гидродинамическому описанию пыления поверхностей металлов при ударно-волновом нагружении



From atomistic to hydrodynamic description of shock induced ejecta from metals

The machining of materials produces regular micrometer-sized surface corrugations. The microscopic cumulative jets can be generated from such surface under shock loading. It is too difficult to resolve space-time evolution of such jets in experimental conditions. The details of jet formation can be observed in molecular dynamics (MD) and smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulations. We demonstrate that for strong enough shocks the scaling provides the similar jet velocity profiles and mass distributions obtained by both methods. But for weaker shocks and small surface perturbations the scaling does not work well which may lead to discrepancies between MD and SPH results

ejecta, shock waves, surface tension

Сергей Дьячков, Мария Егорова, А. Н. Паршиков, Василий Викторович Жаховский

Том 16, выпуск 4, 2015 год



При механической обработке материалов на поверхности материалов остаются регулярные углубления микрометрового размера. Микроскопические кумулятивные струи могут возникать при выходе ударной волны на такую поверхность. Довольно сложно получить пространственно-временную развертку процесса образования таких струй в эксперименте. Тем не менее, детальная информация о формировании струй может быть получена с помощью методов молекулярной динамики (MD) и сглаженных частиц (SPH). Мы показали, что для довольно сильных ударных волн такое масштабирование приводит к аналогичным профилям скорости и распределениям массы в обоих методах. Но для слабых ударных волн и небольших амплитуд гофрировки поверхности масштабирование перестает хорошо работать и может приводить к различиям между результатами MD и SPH

пыление поверхности, ударные волны, поверхностное натяжение

Сергей Дьячков, Мария Егорова, А. Н. Паршиков, Василий Викторович Жаховский

Том 16, выпуск 4, 2015 год



1. Richtmyer R.D., Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids // Commun. Pure Appl. Math. 13, 297–319 (1960).
2. Meshkov E.E., Instability of the interface of two gases accelerated by a shock wave // Sov. Fluid Dynamics 4, 101–105 (1969).
3. Zellner M.B. et al, Probing the underlying physics of ejecta production from shocked Sn samples // J. Appl. Phys. 103, p. 083521 (2008).
4. Buttler W.T. et al, Unstable Richtmyer - Meshkov growth of solid and liquid metals in vacuum // J. Fluid Mech. 703, 60–84 (2012).
5. Bazarov Y.B., Kuratov S.E., Meshkov D.E., Meshkov E.E., Ol'khov O.V., Sedov S.Y., Sivolgin V.S., Analysis of hydrodynamic instability growth in a 2D flow // Physica Scripta, Vol. 2010, No. 142, p. 014018, 2010.
6. Igonin V.V., Krasovsky G.B., Kuratov S.E., Lebedev A.I., Lebedeva M.O., Meshkov E.E., Myshkina I.Yu., Ol'khov O.V., Polovnikov A.A., Polovnikov E.A., Specific features of Richtmyer - Meshkov instability growth with 2D and 3D initial perturbation geometry // Physica Scripta, Vol. 2010, No. 142, p. 014019, 2010.
7. Dimonte G., Terrones G., Cherne F.J., and Ramaprabhu P., Ejecta source model based on the nonlinear Richtmyer-Meshkov instability // J. Appl. Phys. 113, p. 024905 (2013).
8. Михайлов А.Л., Огородников В.А., Сасик В.С. и др. Экспериментально-расчетное модели-рование процесса выброса частиц с ударной нагруженной поверхности // ЖЭТФ, Т. 145, вып. 5, С. 892-905 (2014).
9. Durand O. and Soulard L., Power law and exponential ejecta size distributions from the dynamic fragmentation of shock-loaded Cu and Sn metals under melt conditions // J. Appl. Phys. 114, p. 194902 (2013).
10. Parshikov A.N., Medin S.A., Loukashenko I.I., and Milekhin V.A., Improvements in SPH Method by means of Interparticle Contact Algorithm and Analysis of Perforation Tests at Moderate Projectile Velocities // Int. J. Imp. Eng. 24, 779–796 (2000).
11. Parshikov A.N. and Medin S.A., Smoothed Particle Hydrodynamics Using Interparticle Contact Algorithms // J. Comp. Phys. 180, 358–382 (2002).
12. Паршиков А.Н., Лозицкий И.М. Численное моделирование кумулятивного эффекта в микро¬канале взрывчатого вещества//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2011. Т. 11. 6c. http://chemphys.edu.ru/issues/2011-11/articles/180/
13. Медин С.А., Паршиков А.Н. Численное моделирование структуры ударных волн в гетероген¬ных двухкомпонентных средах//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 7. 7с. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/448/
14. Zhakhovskii V.V., A new dynamical domain decomposition method for parallel molecular dynamics simulation // IEEE Proc. CCGrid 2005 2, 848–854 (2006).
15. Dyachkov S.A., Parshikov A.N., and Zhakhovsky V.V., Shock-produced ejecta from Tin: comparative study by molecular dynamics and smoothed particle hydrodynamics methods // J. Phys.: Conference Series, 653, p. 012043 (2015).
16. Jian-Li Shao, Pei Wang, An-Min He, Su-Qing Duan, and Cheng-Sen Qin, Atomistic simulations of shock-induced microjet from a grooved aluminium surface // J. Appl. Phys. 113, p. 153501 (2013).