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主编寄语 江松 计算物理    2024, 41 (1): 1-1.   摘要 （85）   HTML （19）    PDF （550KB）（5966）    可视化    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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量子计算加速的解法器算法及应用综述 许康, 李泽阳, 郭竹丰, 沈颖童, 王威, 缑敏辉, 王子正, 王玉坤, 刘伟峰 计算物理    2024, 41 (1): 131-150.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8778 摘要 （602）   HTML （25）    PDF （1957KB）（1524）    可视化    量子计算作为一种基于量子力学原理的全新计算模型, 具有强大的并行性和潜在的颠覆性影响力, 为解决复杂问题提供了新的思路。本文的主要目标是对量子计算在大规模科学与工程计算领域中数值计算问题的解法器算法和应用进行综述。重点介绍量子计算在线性方程组、特征值问题、微分方程、哈密顿量与图计算、量子机器学习、量子解法器平台以及实际数值模拟等领域的具体应用。针对不同的数值计算问题, 详细讨论当前主流的量子计算算法, 并总结近年来国内外相关算法的研究进展。最后, 对量子计算在数值计算求解相关研究方向的未来发展趋势进行展望。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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半导体器件数值模拟中电子连续性方程的求解算法 胡毅, 安恒斌 计算物理    2023, 40 (5): 570-582.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8656 摘要 （267）   HTML （13）    PDF （1063KB）（1181）    可视化    针对电子连续性方程的离散代数方程组, 对离散线性系统的矩阵进行分析, 得到矩阵的三类特点; 针对大规模电子连续性方程的离散方程组, 采用预处理Krylov子空间方法进行求解, 并比较和分析几类预处理方法的效果。结果表明: 代数多重网格(AMG)预处理Krylov子空间方法在求解离散电子连续性方程方面非常有效。开展AMG预处理Krylov子空间方法求解离散电子连续性方程的大规模并行可扩展性测试, 比较和分析了AMG方法中三类关键算法参数的选取。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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SEMD：一种面向实际数值模拟软件的跨平台自动性能优化编程工具 张鹏, 张爱清, 莫则尧, 王景焘 计算物理    2024, 41 (1): 52-63.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8777 摘要 （263）   HTML （6）    PDF （14870KB）（1157）    可视化    针对手工软件性能优化缺乏可复用性和可移植性的问题, 设计实现一种面向实际数值模拟软件的跨平台自动性能优化编程工具SEMD (Single element-based computing multiple data)。SEMD采用数值模拟领域基于网格的高层语义对数值计算循环进行抽象, 完全屏蔽底层硬件特征和性能优化实现, 使得基于其编写的数值计算子程序能够自动实现跨平台性能可移植。典型算例测试结果显示: 在X86、ARM、GPU三种不同架构的处理器上, SEMD的整体性能优化效果超过国际上的同类产品。此外, SEMD在结构、流体、电磁等领域实际数值模拟软件的研制中也得到了初步应用, 支撑4款软件热点数值计算子程序平均性能提升164%. 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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求解压力Poisson方程的混合粗化代数多重网格算法 胡少亮, 许开龙, 徐然, 刘再刚, 徐小文, 安恒斌, 范荣红, 汪振宇, 王伟 计算物理    2023, 40 (5): 527-534.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8662 摘要 （359）   HTML （22）    PDF （4455KB）（1061）    可视化    针对复杂流动中Navier-Stokes(N-S)方程SIMPLE算法导出的压力Poisson(泊松)离散线性系统, 提出一类基于混合粗化的代数多重网格(AMG)算法。该算法采用一类非光滑聚类粗化和经典C/F粗化结合的方式构造网格层次结构, 希望在不影响收敛性的情况下, 减少AMG算法的启动开销。通过航空发动机燃烧室复杂流动数值模拟应用验证了该算法的有效性。结果表明: 对于典型算例, 相对于经典AMG算法, 该算法可以获得78%的加速。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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超冷等离子体演化早期的离子温度与库仑耦合强度 方锋, 周文长, 罗长杰, 李煜璠, 杨杰 计算物理    2023, 40 (3): 275-281.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8554 摘要 （249）   HTML （22）    PDF （2853KB）（1040）    可视化    利用开发的磁光阱-离子速度成像装置, 实验测量超冷等离子体的离子温度与库仑耦合参数。同时利用带电粒子追踪数值方法模拟超冷等离子体的早期演化过程。实验和模拟结果表明: 在超冷等离子体演化早期, 无序诱导加热机制导致离子温度快速上升, 而库仑耦合强度下降至2.5。进一步研究还发现: 在离子非平衡演化阶段, 等离子体膨胀速度会快速接近并超过离子热速度, 因此离子达到局域热平衡之后的库仑耦合参数会高于测量值。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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基于有限差分法的SPH边界处理算法及其应用 裴静娴, 热合买提江·依明 计算物理    2023, 40 (3): 343-352.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8559 摘要 （169）   HTML （4）    PDF （6817KB）（1007）    可视化    考虑虚拟粒子法在解决边界问题时因粒子搜索量大而增加冗余计算等因素，转而只在计算域内部采用SPH修正方法，边界处使用有限差分方法，从而实现一种基于有限差分法的SPH边界处理算法。以热传导问题为例，对数值模拟结果进行验证。结果表明：采用提出的边界处理方法对固定和对流边界热传导问题进行求解，解析解与数值解吻合程度较高，数值模拟可靠有效。两种算法优势互补，为相关边值问题的处理提供了思路。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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带有个体淘汰的强制进化随机游走算法优化质量交换网络 马秀宝, 崔国民, 周志强, 肖媛, 徐玥, 杨其国 计算物理    2023, 40 (3): 376-388.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8576 摘要 （175）   HTML （7）    PDF （6461KB）（988）    可视化    针对强制进化随机游走算法(RWCE)在优化质量交换网络进程中, 存在部分个体在竞争中长期处于劣势状态以及个体结构高度相似的现象, 提出带有个体淘汰的RWCE算法优化质量交换网络。即在一定的周期内, 通过对种群中个体优化状态的实时监控, 首先对个体的网络结构进行标准化处理, 以此识别出结构中相似的质量交换器, 再根据其数目评价个体的结构相似度, 将种群中的个体划分为若干个集团, 并以年度总费用作为评价个体优化性能的指标, 淘汰种群中的劣势和相似个体, 以此加强种群间个体的信息交流, 提升个体优化活力和种群多样性, 同时有效增强算法优化质量交换网络的全局搜索能力。将该方法应用于2个质量交换网络实例中, 优化结果均优于文献最优结果, 说明该方法能改变结构的进化方向, 激励种群间个体的差异性进化和保持个体的优化活力, 且有效提升算法的全局寻优性能。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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忆阻Rulkov神经网络同步研究 刘丽君, 韦笃取 计算物理    2023, 40 (3): 389-400.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8567 摘要 （340）   HTML （8）    PDF （16889KB）（988）    可视化    研究电突触、化学突触以及两者共存对忆阻Rulkov神经模型集体动力学行为的影响。对于两个忆阻Rulkov神经元系统, 各种耦合方式都能使系统实现同步。对于不同的耦合强度, 神经元呈现不同的放电模式, 如方波, 三角波, 脉冲放电等。当电突触、化学突触同时存在时, 系统的同步更依赖于电耦合强度。对全局耦合忆阻Rulkov神经网络同步的研究表明: 化学突触单独作用时, 同步发生在耦合参数的某个区域范围, 当化学耦合强度超过某一阈值时, 同步会随着耦合强度的增加而被破坏。电突触单独作用时, 系统很快到达同步状态, 并且电耦合强度是决定神经元处于静止还是峰放电的关键因素, 随着电耦合强度增加, 神经元放电频率、振幅增大。当电、化学耦合同时存在时, 耦合强度的增加使神经元由静息转变为圆弧放电, 并进入同步状态。本文提供了一种通过调整耦合方式和耦合强度, 控制神经网络放电模式及其同步的可能方法。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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EAST上磁位形和杂质对束离子约束和加热影响的数值模拟 刘源煜, 向东, 龚学余, 路兴强 计算物理    2023, 40 (3): 282-290.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8548 摘要 （174）   HTML （10）    PDF （5116KB）（945）    可视化    利用程序ORBIT和TRANSP/NUBEAM模拟研究全超导托卡马克实验装置(EAST)等离子体位形和杂质的特征参数Zeff(有效电荷数)对束离子约束和加热的影响。结果表明: 在等离子体位形中, 随着最后一个封闭通量表面与中面外容器壁之间的距离(gapout)和环向磁场强度的增加, 快离子的损失(包含瞬时损失和波纹损失)也随之减少, 因此中性束的加热效率随着gapout的增加而提高。此外, 随着背景等离子体杂质的增加(即Zeff的增加), 增加了束损失, 导致最后束加热效率降低。选择合适的磁位形, 同时降低背景的杂质含量可以增强快离子约束, 提高束的加热效率。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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辐射扩散方程的非线性迭代方法 安恒斌, 莫则尧 计算物理    2024, 41 (1): 75-86.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8765 摘要 （255）   HTML （12）    PDF （1439KB）（939）    可视化    为了提高Newton方法和Picard方法求解辐射扩散方程组的健壮性和收敛速度, 介绍应用这两类方法求解辐射扩散方程组的几方面工作, 包括迭代初值的选取、迭代过程物理约束的处理、Picard迭代过程与Anderson加速的结合以及针对Anderson加速方法的改进等。通过应用相关的处理和改进策略, 两类方法可有效应用于非线性辐射扩散方程的求解。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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基于时域自适应精细算法的插值型无单元Galerkin法及其在弹性动力学中的应用 陈莘莘, 祝显毅, 李庆华 计算物理    2023, 40 (3): 353-358.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8573 摘要 （162）   HTML （2）    PDF （2176KB）（933）    可视化    将插值型无单元Galerkin法与时域自适应精细算法相结合, 提出一种求解弹性动力学问题的方法。通过时域分段展开, 将时空耦合的初边值问题转换为一系列的空间边值问题, 进而采用加权残值法推导递推形式的插值型无单元Galerkin法求解方程。该方法不仅能方便地直接施加本质边界条件, 并且可以避免时间步长较大造成的精度损失。数值算例给出的结果验证了该方法的有效性。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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Ag基合金弹性性能与电子结构的第一性原理研究 胡佳, 易洲, 文大东, 邓永和, 谢云, 戚双祥, 邱建美, 李政一, 彭平 计算物理    2023, 40 (3): 369-375.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8590 摘要 （169）   HTML （4）    PDF （4712KB）（868）    可视化    基于第一性原理计算, 探究合金元素Cu、Zr、W、Cr、Sn、Ni、In、Zn、Ir掺杂Ag基合金中的点缺陷形成焓H, 弹性常数C11、C12、C44, 体模量B, 剪切模量G, 杨氏模量E及泊松比γ等参数表征材料的强韧度。分析不同合金原子掺杂进入Ag基体的难易程度, 以及合金原子和Ag原子价电子差值△V对Ag基合金弹性性能的作用。随合金原子和Ag原子价电子差值△V的增大, 对应Ag基合金总体抵抗塑性变形、抵抗剪切变形及在剪切变形时保持晶体结构稳定的能力均能够增强。进一步采用掺杂合金原子的Ag基合金在{1 0 0}面投影的差分电荷密度图显示了原子成键前后电荷转移的空间分布情况。结果发现: Ag基合金弹性性能均能增强的原因可归功于合金原子与Ag原子间的强键结合。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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围炉对谈: 性能优化的个性与共性 莫则尧, 王龙, 刘杰, 谭光明, 刘伟峰, 喻之斌, 翟季冬, 杨海龙, 徐小文 计算物理    2024, 41 (1): 3-8.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8818 摘要 （221）   HTML （12）    PDF （658KB）（868）    可视化    2022年12月12日, 第八届高性能计算中间件技术研讨会(HPCMid22)成功召开。HPCMid (会议网址: http://www.caep-scns.ac.cn/HPCMid.php)每年举办一次, 面向科学与工程计算数值模拟应用在当前及下一代超级计算机上面临的挑战, 围绕高性能计算中间件关键技术, 邀请相关学者报告最新研究进展并探讨未来发展趋势。第八届研讨会以"适配新型体系结构的性能优化技术"为主题, 聚焦后摩尔时代新型体系结构为科学与工程计算带来的机遇与挑战, 探讨新型体系结构下可移植性能优化技术的发展趋势。本届研讨会的专家座谈(Panel Session)环节由莫则尧研究员和徐小文研究员共同主持, 邀请了王龙、刘杰、谭光明、刘伟峰、喻之斌5位来自高校、科研院所、企业的专家围绕"性能优化: 个性vs共性"这一主题开展了深入的讨论与交流, 翟季冬、杨海龙等多位专家也参与了讨论。专家们针对性能优化技术的研究现状与发展趋势、面临的问题与挑战以及人才培养等方面发表了许多有启发性的观点。《计算物理》编辑部特将本次讨论整理后发表, 以飨读者。限于篇幅, 略有删节。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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浅水波方程的黏性正则化PINN算法 郑素佩, 林云云, 封建湖, 靳放 计算物理    2023, 40 (3): 314-324.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8592 摘要 （264）   HTML （15）    PDF （11936KB）（865）    可视化    针对经典PINN(Physics-informed Neural Networks)在求解浅水波方程间断问题时的不足，提出一种黏性耗散机制的正则化PINN算法。该算法利用黏性正则化的浅水波方程作为网络构建中的物理约束，并在损失函数中作为惩罚项，训练网络用正则化方程的光滑解逼近原方程的间断解，采用网格加密熵稳定格式的数值解作为参考，学习得原方程在整个区域的解。对满足不同初始条件的一维、二维浅水问题进行数值模拟，并与经典PINN算法进行比较，数值结果表明新算法泛化能力强，可预测任意时刻的解，分辨率高，不会出现抹平和伪振荡现象。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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基于模拟有限差分法的水驱油藏渗透率时变数值模拟 王少椿, 付铄然, 郭凌空, 唐志淏, 张娜, 孙乾 计算物理    2023, 40 (5): 597-605.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8628 摘要 （239）   HTML （11）    PDF （6512KB）（863）    可视化    针对高含水油田注入水的长期冲刷导致储层物性参数逐渐变化从而影响油田开发及剩余油分布预测的问题, 提出一种基于模拟有限差分法的水驱油藏渗透率时变模拟方法。首先拟合现场油井试井渗透率, 建立通过冲刷时间表征渗透率的时变模型, 然后对模型采用模拟有限差分法进行离散并采用IMPES方法对其求解, 最后分析不同渗透率倍数对剩余油、压力、流线分布和开发效果的影响。结果表明: 考虑渗透率时变后, 水窜加剧、波及系数减小、开发效果变差。与传统的油藏描述方法相比, 该方法符合水驱油藏的实际情况, 能够为水驱油田后期深度挖潜提供帮助。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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平面叶栅边界层的转捩试验及数值模拟 孙天野, 祝宝山, 王红彪 计算物理    2023, 40 (3): 307-313.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8600 摘要 （187）   HTML （6）    PDF （9166KB）（844）    可视化    基于温敏漆(TSP)技术，以跨音速平面叶栅为研究对象，开展平面叶栅边界层转捩位置的试验以及数值模拟研究。试验结果表明：利用TSP测量技术可以得到平面叶栅表面的温度分布，进而判断边界层转捩位置。通过CFD(Computational Fluid Dynamics)数值方法完成验证工作。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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EAST通行高能粒子激发的非共振鱼骨模不稳定性模拟 徐敬坤, 汪卫华 计算物理    2023, 40 (3): 291-300.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8565 摘要 （197）   HTML （4）    PDF （7360KB）（830）    可视化    用磁流体动理学混合模拟程序M3D-K研究反剪切安全因子剖面下的非共振鱼骨模不稳定性。非共振鱼骨模指的是qmin略大于1的反剪切安全因子剖面下高能粒子激发的鱼骨模。分析能量共振关系，得到不同抛射角高能粒子激发非共振鱼骨模的物理机制。为了确定非共振鱼骨模稳定的参数阈值和鱼骨模不稳定性的变化趋势，在抛射角0.6时扫描非共振鱼骨模的参数，如注入能量E、高能粒子比压Phot/Ptotal等，分析非线性过程中高能粒子的慢化分布、模结构的演化和鱼骨模扫频。抛射角在0.6、0.7和1.0时非线性的慢化分布变平趋势和实验中高能粒子变化一致，抛射角在0.6时非线性模结构由非共振鱼骨模模结构向其他高频模模结构演化，非线性过程的鱼骨模出现向上扫频符合经典鱼骨模的扫频。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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六角形源展开中子输运离散纵标法及加速技术 李志勇 计算物理    2023, 40 (3): 301-306.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8571 摘要 （150）   HTML （5）    PDF （1218KB）（821）    可视化    源展开中子输运离散纵标法是将微分形式的离散纵标方程的解表示为多项式形式的特解和指数函数形式的通解之和，并通过入射角中子通量边界条件确定通解的系数，而特解则通过源项展开系数直接得到，最后构造源迭代完成六角形中子输运方程的求解；离散纵标方法一般收敛较慢，可以通过常用的粗网有限差分对求解过程进行加速。数值结果表明：本征值和功率分布计算结果与参考解符合良好，对于参考问题粗网有限差分加速比能达得20多倍。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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一种可压缩湍流RANS模拟的浸入边界方法 何文辉, 濮天梅, 周春华 计算物理    2023, 40 (3): 325-332.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8563 摘要 （154）   HTML （5）    PDF （4123KB）（817）    可视化    提出一种可压缩湍流RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟的浸入边界方法。该方法的解重构中，不再定义用于插值的参考点。利用其周围计算内点上已知的流动变量值，解域内紧靠壁面的网格节点上的流动变量通过距离倒数加权方法插值确定。为降低高雷诺数湍流模拟的近壁区域网格分辨率要求，采用一种显式壁面函数将无滑移边界条件转化为无穿透边界条件和当地剪切应力条件；该壁面函数无需迭代求解，提高了计算效率。RAE2822翼型亚、跨音速绕流的数值模拟验证了方法的可靠性。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价