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2024年, 第41卷, 第5期
刊出日期：2024-09-25 上一期   
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第九届全国计算物理会议专栏

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基于Ginzburg-Landau方法的快速结构复振幅展开晶体相场模型 王昆, 陈军, 王裴, 祝文军, 钟正 2024, 41(5): 547-558.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8855 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(13492KB) ( )   利用Ginzburg-Landau模型思路推广了传统复振幅扩展晶体相场(APFC)模型的发展思路, 提出一种描述不同晶体结构的简单有效方法, 即快速结构APFC模型。以方形相和矩形相为例, 系统地确定了快速结构APFC模型中与结构相关的模型参数, 并通过数值算例检验了该方法的有效性。特别是在处理矩形相的过程中, 研究发现这种方法不仅可以解决矩形相结构稳定性的问题, 还可以描述矩形相和正交层状相之间的结构相变, 证明了该模型具有描述多结构相变的能力。最后, 通过模拟研究经典的圆形晶粒转动-收缩问题, 检验了该模型对物理规律的准确预测能力, 并揭示了不同晶体对称性对晶粒转动-收缩规律的影响。

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非均质炸药的Eshelby夹杂理论相场方法 徐云, 龙瑶, 向美珍, 陈军 2024, 41(5): 559-568.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8859 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10193KB) ( )   考虑到夹杂-基体界面微结构复杂失效过程对非均质PBX(高聚物黏结炸药)材料损伤起始具有主导作用, 本文提出基于Eshelby夹杂理论的相场损伤模型, 对非均质PBX炸药损伤形核演化进行数值模拟。相场能量由弹性能和夹杂-基体相互作用能构成, 结合Mori-Tanaka方法推导不同级配下PBX炸药等效力学模量, 相场内变量的变化直接反映了非线性脱黏效应下的损伤分布。采用Eshelby夹杂理论相场方法计算高模量比非均质PBX炸药圆形和多边形颗粒夹杂典型结构, 分析加载条件、颗粒形状、体积占比、模型参数对夹杂-基体界面脱黏机制的影响。数值结果表明: 夹杂-基体界面微结构演化加速了界面脱黏与宏观损伤的形成, 与实验观测是一致的。

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弹塑性问题壁热误差分析及抑制方法 李肖, 沈智军, 郭虹平, 方俊, 张红平 2024, 41(5): 569-581.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8869 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7292KB) ( )   使用单元中心型拉氏Godunov方法, 研究理想弹塑性流体的数值格式和减少壁热误差的方法。给出Godunov格式的黏性修正方程, 描述初值间断情况下黏性激波的形成和传播过程, 分析修正方程的黏性行为和壁热误差的关系。在此基础上, 提出一个HLLC型近似黎曼解法器。在该解法器中, 引入一种自适应热通量黏性项用来抑制界面处的内能和密度壁热误差; 提出一个额外接触速度用来抑制偏应力的过热现象。

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液态重金属反应堆燃料棒及控制棒设计 徐昌恒, 潘晖, 何明涛, 赵常有, 蔡德昌, 许怀金 2024, 41(5): 582-588.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8863 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5070KB) ( )   旨在从中子学角度分析液态重金属快堆燃料棒和控制棒的物理特性, 以支撑其结构设计及材料选型。使用快中子反应堆分析程序SARAX对燃料棒的液铀比选择、径向功率分布、包壳材料选型、反射层材料选型, 控制棒径向结构设计、吸收体材料选型、慢化结构设计进行计算分析。计算结果表明: 燃料棒栅元Kinf与液铀比呈线性关系, 液铀比的选择更多需要考虑载热因素。燃料棒包壳优先选择铁素体/马氏体钢材料。活性段轴向两端反射层材料可选择钢类材料。基于Pu迁移现象分析结果, 当前物理计算程序中均未耦合Pu迁移现象, 计算得到的功率分布相对均匀, 导致燃料中心温度计算结果偏不保守。控制棒采用细棒设计能有效降低自屏效应, 但会降低空间利用率。快堆常用B4C作为吸收体材料。控制棒吸收体外包裹慢化体能使中子能谱软化, B-10中子吸收截面大幅上升, 提高控制棒价值。同一外径下, 纯吸收体芯块的棒价值小于使用慢化体(ZrH2)包裹的芯块。

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基于G-TF/SF技术的地面HEMP环境研究 杨超, 谢海燕, 翟鑫洋, 乔海亮, 陈再高, 高银军 2024, 41(5): 589-595.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8857 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4854KB) ( )   对于半空间问题的时域有限差分方法(FDTD)解决方案, 基于传统总场散射场(TF/SF)技术的平面波加载方法无法直接用于地面电磁散射问题中, 本文将广义总场散射场(G-TF/SF)方法推广至三维地面的高空电磁脉冲(HEMP)环境计算, 四周采用卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件。G-TF/SF方法可有效消除数值计算中截取无限大地面产生的边缘效应, 提高地面电磁环境的计算精度, 且G-TF/SF边界只需要加载入射场, 避免了反射场与透射场的计算。

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燃料棒接触问题的新型自适应预处理方法 刘威震, 刘振海, 辛勇, 叶舒愉, 张世全 2024, 41(5): 596-606.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8868 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8579KB) ( )   通过分析接触前后雅可比矩阵的稀疏结构, 构造基于接触压力判断准则的新型自适应预处理方法。在接触压力为零时使用完全的雅可比矩阵作为Preconditioned Jacobian-free Newton-Krylov(PJFNK)方法的预处理矩阵, 在接触压力非零时使用雅可比矩阵的块对角作为预处理矩阵。数值试验表明: 本文的自适应预处理方法能够有效提升模拟效率, 求解总时间与Multiphysics Object-Oriented Simulation Environment(MOOSE)中现有方法相比减少了15.2%~33.1%。

研究论文

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基于界面重构的三维弹塑性MMALE计算方法 郭少冬, 周海兵, 熊俊 2024, 41(5): 607-618.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8799 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8503KB) ( )   针对弹塑性流体特点, 通过弹塑性混合网格封闭模型、三维大变形网格上界面重构以及保物理特性弹塑性量重映方法等技术, 给出一种适应弹塑性流体的三维MMALE(multi-material arbitrary Lagragian-Eulerian)算法。首先, 在混合网格封闭模型方面, 针对传统体模量加权模型应用于弹塑性流体导致的压力不平衡问题, 通过引入松弛机制和自适应松弛系数, 实现压力平衡, 同时该封闭模型无须迭代, 避免了在迭代过程可能遇到的不收敛问题, 提升了健壮性; 在界面重构方面, 针对三维多面体网格由于变形及三维特殊性导致的守恒性问题, 通过引入逐级表面三角化算法, 实现了适应三维任意多面体网格上的严格守恒的界面重构。在弹塑性量重映方面, 针对偏应力按分量重映后导致的张量性质破坏, 应变能不守恒的问题, 通过引入对应力张量不变量的重映, 实现重映后应力不破坏屈服准则, 并保持应变能的守恒性。最后, 采用MMALE算法对典型算例进行数值模拟, 验证了其正确性和处理大变形问题的健壮性。

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含裂缝线弹性问题的压缩预条件共轭梯度算法 刘杏康, 陈星玎, 余云龙 2024, 41(5): 619-629.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8793 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4564KB) ( )   基于几何型扩展有限元离散, 研究含静态裂缝线弹性问题的高效压缩预条件算法。不仅构造适用于含裂缝线弹性问题的压缩子空间矩阵, 而且给出压缩点的选点原则。为进一步提高计算效率, 将该压缩技巧以乘性的方式与"裂尖型"区域分解预条件子相结合, 提出一类高效的自适应压缩预条件共轭梯度算法, 该算法能同时消去迭代求解中的高频误差和低频误差, 数值实验验证了算法的有效性。

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一种稳健的水力压裂裂缝平面识别算法 林子愉, 刘月田, 裴雪皓, 樊平天, 薛亮 2024, 41(5): 630-642.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8773 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(17101KB) ( )   提出一种稳健的水力压裂裂缝平面识别算法——抽样投影算法(RANSAC-MP), 通过随机抽样方法弱化无关破裂事件导致的离群噪声, 并提出最大投影平面拟合算法以减小环境噪声的影响, 同时结合了RANSAC算法的抗噪性和投影方法的降维效果。以实际直井微地震数据为例进行裂缝平面拟合, 结果表明: RANSAC-MP算法在多重噪声影响下表现出更强的稳健性和更高的计算精度, 当压裂仅形成单一裂缝时, 该算法可以直接处理原始数据。

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反演分布函数的多块网格LBM局部加密方法 魏如普, 丁鹏 2024, 41(5): 643-650.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8797 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1685KB) ( )   针对格子玻尔兹曼方法(LBM)局部加密复杂的耦合计算, 提出从宏观物理量反演得到粒子分布函数以避免进行分布函数转换的思路。通过重写Boltzmann方程推导得到分布函数内部关于Knudsen数的关系式, 给出分布函数的反演计算方法, 以此为基础设计新的多块网格加密算法, 并将该算法应用于算例中验证其性能。结果表明: 该算法能够较好地展现不同Reynolds数下流场的数值特征, 流线图连续完整, 得到的流场中涡旋的中心坐标与文献数据相符, 可以用于流场模拟计算, 为局部加密方法的发展提供指导。

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线性积分方程原函数变换深度学习求解方法 刘东, 陈奇隆, 王雪强 2024, 41(5): 651-662.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8813 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7110KB) ( )   针对深度学习数值计算方法求解积分方程, 提出求解线性积分方程的原函数变换深度学习方法, 通过被积函数的原函数变换, 将积分方程转化为纯粹的微分方程, 并给出原函数定解条件确定方法, 以及相应的神经网络损失函数生成方式。通过深度学习使得神经网络函数逼近原函数后, 将原函数求导并根据积分核的形式进行逆变换, 最终得到积分方程未知函数的数值解。通过多种典型算例数值实验证明, 本文方法具有良好的精度与适用性, 数值计算结果具有连续性的优点。

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X方向KSEA相互作用对几何量子失协的影响 阿依古丽·巴吐尔, 张金峰, 艾克拜尔·阿木提江, 艾合买提·阿不力孜 2024, 41(5): 663-669.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8798 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3549KB) ( )   基于非马尔科夫量子态扩散(NMQSD)方法研究含有X方向Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony(KSEA)相互作用的系统中混合非马尔科夫/马尔科夫环境、单一非马尔科夫/马尔科夫环境下几何量子失协的动力学演化。结果表明: 含有X方向KSEA相互作用的系统中混合非马尔科夫环境下几何量子失协的提高比单一非马尔科夫环境更高; 处在同一纠缠态和不同强度的X方向KSEA相互作用时, 系统的几何量子失协在混合非马尔科夫环境中获得更好的恢复; 马尔科夫环境下单一库的情况比混合的情况要好。

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弱耦合导致的再入性心律失常研究 韦智杰, 莫玉香, 林榕梅, 兰孝克, 唐国宁 2024, 41(5): 670-679.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8761 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4973KB) ( )   采用Luo-Rudy相I心脏模型研究点波源产生的波在一维、二维弱耦合心肌组织中的传播, 观察到弱耦合会导致波传播速度减小; 当心肌组织出现大的耦合强度梯度时, 弱耦合会导致波传播受阻和心肌细胞出现早期后除极化; 当心肌细胞之间耦合强度足够低时, 观察到心肌组织会出现波的环形运动和复杂的波传播现象。此外通过构造两种不同耦合结构的二维心肌组织, 研究平面波在二维弱耦合心肌组织中的传播, 结果发现: 平面波在这两种心肌组织中传播时都可自发产生螺旋波, 提高细胞之间耦合强度可有效阻止波的环形运动和螺旋波的自发产生。进一步分析了产生上述现象的物理机制。

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如何避免互联电网中的Braess悖论现象 张少泽, 邹艳丽 2024, 41(5): 680-688.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8762 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10781KB) ( )   为了探究如何在互联电网中增加传输线路时避免发生Braess悖论现象, 本文采用二阶类Kuramoto相振子模型对电网进行动力学建模。分别考虑在互联电网子网内和子网间增加传输线路, 探究互联电网发生Braess悖论现象的概率并分析其原因。研究表明: 互联电网发生Braess悖论现象的概率与网间传输功率有关, 当网间的功率传输达到某一临界值时, 在互联电网的受电子网内及子网间增加传输线路, 互联电网发生Braess悖论现象的概率降低到接近于零, 从而避免发生Braess悖论现象。