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2013年, 第30卷, 第3期
刊出日期：2013-05-25 上一期    下一期
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基于JASMIN的地下水流大规模并行数值模拟 程汤培, 莫则尧, 邵景力 2013, 30(3): 317-325.  摘要 ( )   PDF(1499KB) ( )   针对具有精细网格剖分、长时间跨度特征的地下水流模拟中计算时间长、存储开销大等瓶颈问题,基于MODFLOW三维非稳定流计算方法,提出基于网格片的核心算法以及基于影像区的通信机制,并在JASMIN框架上研制了大规模地下水流并行数值模拟程序JOGFLOW.通过河南郑州市中牟县雁鸣湖水源地地下水流的模拟,对程序正确性和性能进行了验证;通过建立一个具有精细网格剖分的假想地下水概念模型对可扩展性进行测试.相对于32核的并行程序,在512以及1 024个处理机上的并行效率分别可达77.2%和67.5%.数值模拟结果表明,JOGFLOW具有较好的计算性能与可扩展性,能够有效使用数百上千计算核心,支持千万量级以上网格剖分的地下水流模型的大规模并行计算.

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考虑转动能的一维/二维Boltzmann-Rykov模型方程数值算法 吴俊林, 李志辉, 蒋新宇 2013, 30(3): 326-336.  摘要 ( )   PDF(3016KB) ( )   研究考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程,基于转动自由度对气体分子速度分布函数矩积分,引入约化速度分布函数,应用离散速度坐标法与数值积分技术,将气体运动论模型方程化为在离散速度坐标点处关于三个约化速度分布函数的联立方程组.应用拓展计算流体力学有限差分方法,数值计算考虑转动自由度的双原子气体一维、二维Boltzmann模型方程,得到高、低Knudsen数一维激波管内流动和二维竖直平板绕流问题的流场,分析验证考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程全流域统一算法求解一维/二维气体流动问题的可靠性.结果表明,气体稀薄程度与分子内自由度对流场具有较大影响,且Knudsen数较高的稀薄气体流动呈现严重的非平衡流动特点.

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自然对流换热的高精度非结构网格有限体积法 解岩, 欧阳洁, 周文, 任朝倩 2013, 30(3): 337-345.  摘要 ( )   PDF(2372KB) ( )   用非结构网格有限体积法求解自然对流换热时,传统的对流项离散格式难以兼顾数值精度与计算效率,我们发展了一种耦合高精度格式的延迟修正方法,用于对流项的离散.高Re数下方腔驱动流数值计算验证了该方法具有较高的计算精度和较好的稳定性.Boussinesq流体的自然对流换热数值模拟,表明该方法能有效克服高Ra数时数值计算发散,可准确捕捉自然对流换热问题中不同偏心率下的等温线和流线分布特征.

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流体力学拉氏程序收敛性及数值计算不确定度初探 刘全, 王瑞利, 林忠, 刘希强 2013, 30(3): 346-352.  摘要 ( )   PDF(326KB) ( )   将欧氏(Eulerian)数值模拟不确定度分析的基本概念和方法引进拉氏(Lagrangian)计算中,包括渐近收敛阶、渐近收敛域、网格收敛指标(Grid convergence index,GCI)等.给出GCI方法刻画数值计算不确定度的具体步骤.并应用于N-R格式,验证了方法的有效性.

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三维空间二阶精度流体体积界面重构方法 梁仙红 2013, 30(3): 353-360.  摘要 ( )   PDF(1398KB) ( )   给出三维空间网格模板含81个单元的最小二乘流体体积界面重构方法,并和Youngs方法及网格模板含125个单元的最小二乘流体体积界面重构方法进行比较.静态和动态的测试例子均表明:该方法能精确重构任意方向的平面界面,对C2光滑曲面它能达到二阶收敛精度.和网格模板含125个单元的最小二乘流体体积界面重构方法相比,在达到同样网格精度的条件下,减少了计算量,节省了计算时间,提高了计算效率.

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含表面活性剂液膜去湿过程的数值模拟 叶学民, 沈雷, 李春曦 2013, 30(3): 361-370.  摘要 ( )   PDF(2902KB) ( )   对存在壁面滑移的含非溶性表面活性剂薄液膜在固体表面的去湿过程,采用PDECOL程序对描述其演化过程的液膜厚度和表面活性剂浓度方程组进行数值求解.基于液膜表面扰动波形的变化,分析各参数对去湿特性及液膜稳定性的影响规律.研究指出:Marangoni数M较小时其效应使液膜失稳区缩短,而M较大时液膜失稳区间无限延伸,稳定性降低;毛细力数减小使液膜失稳区间缩短,减至一定程度后可有效抑制去湿现象的发生;滑移效应对演化过程的影响与M有关,M较小时滑移使液膜失稳区间缩减,使扰动增长率增大,M较大时这一影响并不显著;随平衡液膜厚度增大,液膜表面的扰动程度减小,但扰动区间显著增大.相对于外源性表面活性剂而言,内源性情形的失稳区间更小,液膜稳定性更强.

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点火黑腔二维模拟设计 李欣, 吴畅书, 邹士阳, 赵益清, 李敬宏, 古培俊, 郑无敌, 裴文兵 2013, 30(3): 371-378.  摘要 ( )   PDF(3324KB) ( )   基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P2辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.

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强爆炸火球数值模拟中的算子分裂方法 闫凯, 李若, 田宙, 郭永辉, 曹渊 2013, 30(3): 379-386.  摘要 ( )   PDF(826KB) ( )   采用算子分裂方法将辐射流体力学方程组分裂为对流项和刚性源项,设计一种高效求解刚性源项方程组的数值方法.数值实验表明:该方法对时间步长不敏感,计算精度能够满足工程计算要求.在不对方程组做任何近似的情况下,数值给出了较长时间内火球冲击波阵面压力峰值及阵面位置的变化,结果与实际强爆炸中的经验公式吻合较好.

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速度分群情况下氘氚热核反应率的模拟与分析 李蒙, 李百文, 贾洪祥 2013, 30(3): 387-395.  摘要 ( )   PDF(1424KB) ( )   研究两种原子核粒子参与反应的热核聚变,假定一种原子核粒子处于热动平衡状态,对另一种原子核粒子速度分布进行分群,推导分群热核反应率以及平均热核反应率,编制相应计算程序;以氘氚热核聚变反应为例计算分群热核反应率和相应的平均热核反应率,并与直接积分结果进行对比;同时,细致研究平均热核反应率与速度分群数目的关系.

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N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟 高书侠, 张素, 孟秀兰, 张连珠 2013, 30(3): 396-402.  摘要 ( )   PDF(1794KB) ( )   采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.

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双圆筒加速透镜中强流束传输的模拟 李超龙, 石海泉, 吕建钦 2013, 30(3): 403-408.  摘要 ( )   PDF(312KB) ( )   用矩阵法分析非强流束流与强流束流在双圆筒加速透镜中的传输,编写束流在双圆筒加速透镜等元件中传输的计算程序DCALENS.采用优化方法实现给定的光学条件,用迭代方法计算强流束传输获得自洽解.在不同束流流强条件下,用DCALENS程序进行模拟计算,并对模拟结果进行比较分析.结果表明:束流流强越大,束流包络曲线横向发散越显著,空间电荷力越强;束流流强大于2 A时,束流包络曲线发散明显.

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旋转对称椭球颗粒沿轴脉冲光声波波形的几何计算 李勇, 方晖 2013, 30(3): 409-414.  摘要 ( )   PDF(2262KB) ( )   针对旋转对称椭球颗粒脉冲光声波的产生,推导沿其对称轴方向的波形的解析表达式.结果表明,无论是长椭球还是扁椭球颗粒,沿轴波形相对于球形颗粒所产生的N形波都有一定的形变,并且在近场条件下显示出能反映椭球颗粒形状与大小的明显特征.因此通过对脉冲光声波的测量和分析,能对旋转对称椭球颗粒进行形貌判定.

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激光在烟幕中传输的蒙特卡罗模拟 王红霞, 刘代志, 宋仔标, 杨倪晨, 杨成莱 2013, 30(3): 415-421.  摘要 ( )   PDF(1814KB) ( )   建立蒙特卡罗计算模型,模拟计算1.06μm脉冲激光在石墨烟幕中的传输.分析透过率与石墨粒子粒径、烟幕浓度、烟幕厚度的关系,用卷积方法计算一定宽度的脉冲激光穿过烟幕后的波形,数值仿真δ脉冲和矩形脉冲激光在各种石墨烟幕中的时间展宽特性.模拟结果表明:石墨粒子存在一最佳半径(0.16μm),该半径的石墨粒子烟幕不仅使激光能量衰减最强,而且产生的时间展宽也最显著;激光脉冲宽度越小,其波形变化和时间展宽越显著,微秒量级脉宽的激光脉冲穿过烟幕后波形变化和时间展宽效应不明显.

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供热管网中管段阻力系数的辨识方法 王海, 王海鹰, 周伟国, 周海珠 2013, 30(3): 422-432.  摘要 ( )   PDF(1120KB) ( )   提出一种新的管网阻力系数辨识方法,利用管网中少量节点处的压力或流量测量值对所有管段内壁粗糙度进行有效辨识,达到获得管段阻力系数的目的.该方法的辨识模型不仅能灵活利用工程手册所推荐的管道粗糙度等先导信息,还可综合利用多种工况下的辨识值,获得更高精度的辨识结果.基于这种辨识模型,提出一种结合遗传算法(GA)和有效集法(AS)的混合算法求解最优化问题.混合算法改善了局部搜索效率,同时具备较好的全局寻优能力.通过对2个案例管网参数的辨识计算,表明新方法可获得精度较高的辨识结果,并且对较大的管网也能得到稳定的计算结果.

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过渡金属氮化物中单原子固溶和力学性能的第一性原理研究 刘学杰, 任元 2013, 30(3): 433-440.  摘要 ( )   PDF(1367KB) ( )   基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算Si原子在Ti族和V族氮化物中以及B、C和Ge原子在TiN晶体中固溶的稳定结构,讨论置换型和间隙型固溶的低能量稳定结构与晶体间距的关系,研究金属氮化物和固溶原子固溶结构的力学性能.结果表明:Si原子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶体中固溶以及Ge原子在TiN晶体中固溶情况为,单原子不进入对应过渡金属氮化物晶体中形成间隙固溶或置换固溶,随着晶体间距离变化单原子可以在晶体之间形成间隙固溶或置换固溶;Si原子在NbN以及B原子在TiN晶体中可以实现间隙固溶,而不能形成置换固溶;Si原子在VN和C原子在TiN晶体中固溶结构形式均为置换固溶.单原子固溶形成低能量置换型固溶体和间隙型固溶体的弹性常数、体模量和剪切模量均低于原过渡金属氮化物的对应值.

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Ge/Pb/Si(111)生长中Ge原子沿团簇边缘扩散的三维Monte-Carlo模拟 吴黎黎, 吴锋民 2013, 30(3): 441-446.  摘要 ( )   PDF(1776KB) ( )   用动态Monte-Carlo方法对Ge在单层表面活性剂Pb覆盖的Si(111)表面上沿团簇边缘扩散进行三维模拟.重点讨论Ge原子是否沿团簇边缘扩散,沿边缘扩散时的最大扩散步数及最近邻原子数对三维生长的影响,并计算薄膜表面粗糙度研究三维生长模式.模拟表明Ge沿团簇边缘扩散的行为对薄膜生长模式的影响很大,同时讨论了ES势对三维生长模式的影响.

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聚有机硅结构和规整性对链柔性和极性的影响 马海珠, 林敏, 陈禹宏, 刘倩, 江谦 2013, 30(3): 447-453.  摘要 ( )   PDF(1788KB) ( )   基于旋转异构态模型的构象构型统计方法,考虑侧基的结构,导出有机硅聚合物基础量统一计算公式,得到Poly(silastyrene)(PSS)、Polysilapropylene(PSP)、Poly(methylphenylsiloxane)(PMPS)、Poly(dimethylsilmethylene)(PDMSM)和Poly(dimethylsilylene)(PDMS)无规链的均方回转半径特征比分别为1.45、0.63、0.97、0.69和1.99,均方二极矩特征比为2.49、0.99、0.61、0.48和0.27.发现PSS和PMPS的特征比随链长、链规整程度、构象能和温度等均呈现较大的变化,而侧基、构象能和温度对PSP、PDMSM基础量影响则不大,分析极性大侧基对有机硅聚合物链柔性和极性的影响十分重要.

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基于Bloch球面搜索的量子粒子群优化算法 李盼池, 王琪超, 施光尧 2013, 30(3): 454-462.  摘要 ( )   PDF(896KB) ( )   通过分析量子势阱粒子群优化算法的设计过程,提出一种基于Bloch球面搜索的量子粒子群优化算法.首先用基于Bloch球面描述的量子位描述粒子,用泡利矩阵建立旋转轴,用Delta势阱模型计算旋转角度,用量子位在Bloch球面上的绕轴旋转实现搜索.然后用Hadamard门实现粒子变异,以避免早熟收敛.这种旋转可使当前量子位沿着Bloch球面上的大圆逼近目标量子位,从而可加速优化进程.仿真结果表明,该算法的优化能力优于原算法.

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有限深抛物势量子环类氢杂质能级 郑文礼, 李树深, 王雪峰 2013, 30(3): 463-468.  摘要 ( )   PDF(1220KB) ( )   在有效质量近似下,用微扰法研究InAs量子环内类氢杂质基态及低激发态的能级.受限势采用有限深抛物型势,在二维平面极坐标下,用薛定谔方程的解析解计算.数值结果显示:在抛物势平台区,类氢杂质能级不随电子径向坐标改变,并具有二维氢原子能级的特征;在有限深抛物势区,电子能级敏感地依赖于量子环半径,能级存在极小值,这是由于限制势采用抛物势的结果.如果减小环的半径,可以增加能级间距;简并能级发生分裂并且间距随半径增大而增大,第一激发态的简并没有消除,第二激发态的简并被部分地消除.本文结果对研究量子环的光跃迁及光谱结构有指导意义.

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非线性受扰观测序列的深度优化粒子滤波算法 贾蒙 2013, 30(3): 469-474.  摘要 ( )   PDF(1274KB) ( )   提出深度优化粒子滤波(DIPF:Deep Improved Particle Filtering)算法,从权值增长趋势和权值大小的综合比较进行样本的优化选择,通过对样本的统计分析确定样本的复制与裂变,虽然深度优化由于趋势判断增加了滤波时间,但是它克服了样本枯竭问题,提高了估计的精度.