[논문 리뷰] Non-isentropic layers in matter behind shock and ramp compression waves

K. V. Khishchenko, Alexander E. Mayer|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 31.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 충격파 및 램프 하중 작용 중 금속의 인터페이스 근처에서 형성되는 비等온층(고온도 또는 저온도를 동반한 고온도 또는 저온도 영역)을 조사한다. 이산화 플라스티시티 기반 모델과 수치 시뮬레이션을 통해 충격 하중 및 램프 하중 조건에서 고엔트로피층이 형성되는 것을 입증하였으며, 램프 하중 또는 압력 불일치가 있는 물질 간 인터페이스에서는 저엔트로피층이 발생하여 표면 현상(예: 융해 및 열측정)에 영향을 미친다.

ABSTRACT

According to the ideal fluid dynamics approach, the temperature and entropy values of a medium undergo a jump increase in the shock front as well as on contact interface between different materials after the shock wave propagation, but remain constant behind the shock front out of the contact interface. In the real condensed matter, the shock fronts and transition regions near the interfaces have finite thicknesses; therefore, the temperature field is disturbed around the interfaces. In this work, such disturbances are numerically analyzed for the problems of formation of the steady shock wave at impact and ramp loading of metals, reflection of the steady shock wave from a free surface, and the shock wave passing through the interface between two different materials. Theoretical analysis and computations show that the non-isentropic layers (the high-entropy ones with the increased temperature and the low-entropy ones with the decreased temperature) arise near the interfaces in the above problems of shock and ramp loading. The impact produces the high-entropy layer; while the ramp loading can result in the both high- and low-entropy layers. At the shock wave passing through the interface, the high-entropy layer is formed in the lower-impedance material and the low-entropy in the higher-impedance one. These high- and low-entropy layers should be taken into account in simulations of shock-wave processes in thin targets or in other cases where surface effects are important. For example, melting can take place in the high-entropy layer on the interface between colliding plates at shock intensities lower than the bulk melting threshold; also the temperature perturbations near the studied surface can affect the result of pyrometric measurements. A mathematical model with accounting for the dislocation plasticity is described here as well as the appropriate numerical scheme is proposed.

연구 동기 및 목표

• 이deal 유체역학 가정을 초월하여 실재의 응집물질에서 충격 및 램프 하중 조건 하에서 인터페이스 근처의 온도 및 엔트로피 변동을 분석하기 위해.
• 유한한 충격파 두께 및 물질 인터페이스 효과로 인한 엔트로피 증가 또는 감소 영역인 비등온층 형성 원인을 조사하기 위해.
• 충격파 과정에서의 열 및 엔트로피 비정상 현상을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 이산화 플라스티시티를 통합한 수학적 모델 개발을 위해.
• 이러한 층이 얇은 표적 또는 인터페이스 지배 시스템에서 융해 및 열측정과 같은 표면 현상에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이산화 플라스티시티 기반 모델을 사용하여 금속에서 충격 및 램프 하중 조건 하에서 안정된 충격파 형성의 수치 분석을 수행하였다.
• 자유 표면에서의 충격파 반사 및 이중재료 인터페이스를 통한 전파를 시뮬레이션하여 인터페이스 유도 엔트로피 변화를 연구하였다.
• 전이 영역에서 엔트로피 및 온도 변화를 고려한 제어 방정식을 유한차분 수치 기법을 적용하여 해석하였다.
• 인터페이스 근처의 비평형 효과를 포착하기 위해 열기계 모델에 이산화 플라스티시티를 통합하였다.
• 유한두께 충격파 및 엔트로피와 온도가 등온 상태에서 벗어나는 전이 영역을 해결하기 위해 수치 모델링을 활용하였다.
• 다양한 하중 조건에서 인터페이스 근처의 엔트로피 및 온도 프로파일을 분석하여 고엔트로피 및 저엔트로피 층의 존재 여부를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속의 충격 및 램프 하중 조건에서 인터페이스 근처에 형성되는 비등온층의 유형(고엔트로피 또는 저엔트로피)은 무엇인가?
• RQ2 하중 유형(충격 대 램프)이 고엔트로피 및 저엔트로피 층 형성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 이중재료 인터페이스에서 엔트로피 비정상 현상의 위치 및 성격을 결정하는 데에 물질의 임피던스 대비가 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 이러한 비등온층이 융해 또는 열측정과 같은 표면 현상에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 충격 압축된 물질에서 엔트로피 및 온도의 이탈을 효과적으로 모의하기 위해 이산화 플라스티시티를 어떻게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 충격 하중 조건에서는 압축 영역에서 온도 및 엔트로피가 증가하여 인터페이스 근처에 고엔트로피층이 형성된다.
• 램프 하중 조건에서는 재료 특성 및 하중력사에 따라 고엔트로피층과 저엔트로피층이 모두 형성될 수 있다.
• 이중재료 인터페이스에서는 충격 전파 시 저임피던스 재료 측에 고엔트로피층이, 고임피던스 재료 측에 저엔트로피층이 형성된다.
• 이러한 비등온층은 특히 얇은 표적에서 부피 융해 임계점 이하의 충격 강도에서도 융해를 유도할 수 있다.
• 인터페이스 근처의 온도 변동은 열측정 결과에 상당한 영향을 미치며, 이를 고려하지 않을 경우 오차가 발생할 수 있다.
• 제안된 이산화 플라스티시티 모델 및 수치 기법은 현실적인 열기계 진화를 반영하여 충격압축된 물질의 비등온 행동을 성공적으로 모의하였다.