计算物理

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周春华

2013, 30(5): 633-641.

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给出一种非定常流动数值模拟的网格自适应处理方法.在"求解流动方程-自适应调整网格"的流程中,引入预估-修正步.根据自适应周期内每个时间步上的流场预估解,计算单元上的事后误差估算值.建立考虑解演变的网格自适应指示器,并进行多层次单元加密-稀疏的动态网格自适应处理.在自适应网格上重新计算流场.每个自适应周期中,流动演变区域的网格获得加密;而前一个周期中的特征现象已离开区域的网格被稀疏.应用边界非协调的当地DFD(Domain-Free Discretization)方法求解流动方程.为验证网格自适应处理方法,针对静止圆柱和自推进游鱼的流动进行了数值实验.

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不同截面水槽流体参数晃动的SPH模拟

王庄, 李遇春, 王立时

2013, 30(5): 642-648.

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用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对几种不同截面水槽内的流体参数晃动问题进行数值模拟.以二维矩形截面水槽为例,对其一阶正对称参数晃动过程进行分析,验证这一非线性晃动问题特征:包括水体波动特性,频率关系.对U形和圆形截面的前二阶反对称与正对称参数晃动过程进行数值模拟.结果表明:SPH方法可以有效地实现槽内流体在竖向谐振作用下的参数晃动过程.

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随机选取法和多波近似在一维浅水方程大时间步长格式中的应用

许仁义, 钟德钰, 吴保生

2013, 30(5): 649-658.

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利用黎曼精确解和行波法相结合,在一维浅水方程中实现大时间步长(Large Time Step,LTS)格式,并采用多波近似解决稀疏波断裂的问题,采用随机选取法(Random Choice Method,RCM)解决非线性方程使用LTS格式出现的震荡问题.一系列数值试验发现,通过多波近似和随机选取法对大时间步长格式的改进,提高了计算效率,减小了震荡,取得了很好的计算效果.

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基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

卓长飞, 武晓松, 封锋, 谢爱元

2013, 30(5): 659-666.

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基于D1Q4可压缩格子Boltzmann模型,按照流通矢量分裂方法的思路,采用坐标旋转技术构造求解三维带化学反应Navier-Stokes方程对流通量求解器.结合有限体积法求解三维化学非平衡流Navier-Stokes方程,采用时间算子分裂算法解决化学反应刚性问题,数值模拟超声速化学非平衡流的三个经典算例.数值结果表明:在高马赫数下,采用D1Q4可压缩格子Boltzmann模型构造的三维对流通量求解器数值模拟中没有出现非物理解,同时在超声速化学非平衡流场中正确分辨激波、燃烧波等物理现象,精度和分辨率均较高,验证了本文构造的三维对流通量求解器的可靠性,拓宽了D1Q4可压缩格子Boltzmann模型的应用范围,为计算超声速化学非平衡流提供一种新方法.

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多孔介质两相流的局部守恒有限元分析

张娜, 姚军, 黄朝琴, 王月英

2013, 30(5): 667-674.

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用局部守恒有限元法研究多孔介质两相渗流问题.详细阐述局部守恒有限元法的基本原理,推导两相渗流问题的局部守恒有限元计算格式并编制相应的计算程序.通过一维Buckley-Leverett两相渗流算例验证该方法的正确性.应用局部守恒有限元法和混合有限元法分别对2个模型进行分析对比.计算结果表明局部守恒有限元法具有良好的鲁棒性及适用性,相较于混合有限元法,处理过程简单,计算时间缩短,为标准有限元法应用于复杂渗流问题提供了一种途径.

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路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响

罗建斌, 胡媛媛, 杨建恒, 胡爱军

2013, 30(5): 675-682.

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采用计算流体力学方法,探讨路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响.结果表明:随着路堤倾角增大,头车侧向力系数先增加后减小,而中间车侧向力系数则持续减小.尾车上的侧向力系数先是略微减小,当路堤倾角达到47.5°时,侧向力系数随倾角增加而增加.作用在中间车上的负升力随着路堤倾角增加而增加.尾车的升力系数对路堤倾角变化非常敏感,变化幅度较大.路堤倾角变化时高速列车绕流流场变化,从而导致列车受到的气动力发生变化.

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不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

叶学民, 姜凯, 李春曦

2013, 30(5): 683-691.

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针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.

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石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟

刘冰, 史俊勤, 沈跃, 张军

2013, 30(5): 692-699.

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用分子动力学模拟研究石墨狭缝中甲烷的吸附,考察狭缝宽度和温度对甲烷吸附的影响.模拟发现甲烷在石墨狭缝中出现分层现象,吸附层中甲烷具有类液特征,第一吸附层内甲烷中总有两个氢原子的连线与另外两个氢原子的连线分别位于平行于狭缝壁的两个平面内,游离层中甲烷呈现气体的特征;碳原子间的平均作用势说明吸附层中甲烷分子间结合能力大于游离层,吸附态是甲烷在石墨狭缝中的主要赋存形式之一;伦敦力以及由吸附层净电荷产生的电场力是甲烷吸附和分层的主要原因;甲烷的吸附量随狭缝宽度增大或温度升高而减少,当狭缝宽度小于16.46Å时,甲烷仅以吸附形态存在.甲烷在第一吸附层中的扩散能力最弱、游离层中最强,甲烷扩散系数随狭缝宽度的增大或温度的升高而增大.

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复合材料反平面切口端部奇性研究

程长征, 葛仁余, 薛伟伟, 牛忠荣

2013, 30(5): 700-705.

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基于复合材料切口尖端位移场的渐近展开,将切口的反平面平衡控制方程转化为关于切口奇性指数的特征微分方程,采用一种变换将其化为线性特征微分方程组,引入插值矩阵法计算相应边界条件下方程组的特征值以获取切口尖端的应力奇性指数.研究单相材料切口、双相材料切口及止于异质界面切口的奇异性,算例表明该方法可以一次性计算出多阶奇性指数.对所取得的非奇异指数尽管切口不表现出奇性状态,但却是描述切口尖端完整应力场必不可少的参量.

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基于粒子群PSO算法的月球物理参数反演

钟振, 晏鹏, 叶茂, 李斐

2013, 30(5): 706-713.

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针对月震数据的局限性,以及传统反演方法求解月球物理参数的不适宜性,利用非线性粒子群PSO算法同时求解岩石圈主要月球物理参数载荷比、月壳厚度、月壳密度、内部载荷深度、岩石圈弹性厚度等.结果表明:粒子群PSO算法能够同时反演多个月球物理参数的最优解,计算效率高于传统方法.将该方法应用于月球物理参数多参数的反演,可为月球内部精细结构研究提供参考.

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一种基于效率矩阵的网络节点重要度评价算法

范文礼, 刘志刚

2013, 30(5): 714-719.

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为了实现对网络节点重要性的有效评价,提出一种基于网络效率矩阵的节点重要度评价算法.该方法综合考虑节点的度值(局部重要度)和网络节点之间的重要性贡献(全局重要度),利用节点的度和效率矩阵表征网络节点的重要度贡献,克服重要性贡献矩阵法中节点只依赖于邻接节点的不足.考虑实际网络的稀疏性,该算法的时间复杂度为O(n²).通过算例分析验证了该算法的可行性和有效性,结果表明:该算法能够更加直观、简单有效地区分节点的重要度差异,并且对于大型复杂网络具有较理想的计算能力.

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六自由度电磁探测的快速数值算法

向茜, 王世庆

2013, 30(5): 720-726.

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提出一种六自由度电磁探测的快速数值算法,对500 mm×500 mm×500 mm范围内的空间磁场进行数值仿真,并与电流环近似算法和严格算法进行比较,归一化计算时间比为10⁶:70:1,结果表明该算法可行可靠.最后讨论怎样有效地克服螺线管线圈的有限长效应引起的偏差,从而进一步提高探测系统的探测精度及稳定性.

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挠曲电效应对向列相液晶盒响应时间的影响

邢红玉, 叶文江, 周璇, 孙玉宝, 张志东, 宣丽

2013, 30(5): 727-732.

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应用液晶动力学理论和差分迭代方法,考虑上液晶挠曲电特性情形下研究强锚泊混合排列向列相液晶盒撤掉电压时的动态响应过程,数值计算得到液晶盒透过率随时间的变化.结果表明:随展曲和弯曲挠曲电系数和的绝对值|e₁₁+e₃₃|的增加,液晶盒的响应时间逐渐减小,当|e₁₁+e₃₃|=50 pC·m^-1时,响应时间与忽略挠曲电效应的情况相比缩短了一半.

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两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响

赵晓云, 张开银, 张丙开, 李世刚

2013, 30(5): 733-738.

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建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型,利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体鞘层的产生.结果表明:对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体,冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多,鞘边离子的马赫数临界值就越小,鞘层的宽度就变得越窄,沉积器壁的离子动能流也就越少.此外,研究不同种类的等离子体(Ar、Ke、Xe),鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响.

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表面势垒对梯度掺杂GaN光电阴极电子逸出几率的影响

王洪刚, 钱芸生, 杜玉杰, 任玲, 徐源

2013, 30(5): 739-744.

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研究表面势垒对梯度掺杂GaN光电阴极电子逸出几率的影响.计算梯度掺杂透射式GaN光电阴极的电子能量分布及逸出几率,结果显示梯度掺杂与均匀掺杂相比,可以获得更大的电子逸出几率;I势垒对电子逸出几率的影响显著,而Ⅱ势垒影响较小.利用GaN光电阴极多信息量测试系统,测试两种GaN阴极样品的光电流.实验结果表明,梯度掺杂GaN样品比均匀掺杂电子逸出几率更大;单独进行Cs激活形成的I势垒对电子逸出几率有显著影响,而Cs/O共同激活形成的Ⅱ势垒对其影响较小.

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场致爆炸发射阴极表面微凸起热效应的数值研究

左应红, 王建国, 范如玉, 朱金辉, 牛胜利

2013, 30(5): 745-752.

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研究场致发射电流密度与阴极表面微凸起顶部的温度之间的高度非线性关系,用数值方法计算在外加宏观电场条件下,不同顶底半径比微凸起的热效应.结果表明:当微凸起顶底半径比值不同时,由于微凸起的微观电场增强因子不同,当微凸起顶部温度达到阴极材料的熔点时,微凸起内部温度分布差异显著;当外加宏观电场相同时,微凸起的顶底半径比越小,爆炸发射延迟时间越短;对于顶底半径比确定的微凸起而言,爆炸电子发射延迟时间随外加宏观电场强度的减小而成指数规律增长.

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考虑通孔横向热传输效应的三维集成电路热分析

张岩, 董刚, 杨银堂, 王宁

2013, 30(5): 753-758.

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考虑横向热传输效应,构造一种包含通孔结构的叠层芯片三维热传输模型.在具体的工艺参数下验证叠层芯片层数、通孔密度、通孔直径和后端线互连层厚度对三维集成电路热传输的影响.结果显示,采用该模型仿真得到的各层芯片温升要低于不考虑横向热传输时所得到的温升,差异最大可达10%以上,并且集成度要求越高,其横向热传输效应的影响越明显.该模型更符合实际情况,能够更准确地分析三维集成电路的各层芯片温度.

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粗糙度对大高宽比槽道内流动影响的数值模拟

刘东, 蒋斌, 刘明侯

2013, 30(5): 759-765.

摘要 ( )

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基于确定表面粗糙结构形状的PML模型模拟表面粗糙度对大高宽比小槽道内流动特性的影响,并与3-D模拟结果对比,结果较为一致.基于该模型对不同的流速和不同的粗糙度进行模拟,结果表明:表面粗糙度导致槽道内出现速度线性分布的流动底层.Re数相同时,单位长度压降与相对粗糙度成二次方关系.粗糙单元高度相同时,压降随Re线性增加.

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密度泛函理论研究BeSi_n(n=1-12)团簇的结构、稳定性与电子性质

张帅, 仲志国, 包代小, 李根全, 卢成

2013, 30(5): 766-774.

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运用密度泛函理论(DFT),考虑多种初始构型下的自旋多重态,在B3LYP/6-311G基组水平上研究BeSi_n(n=1-12)团簇的平衡几何结构、电子性质、振动光谱与极化率.结果表明:BeSi_n团簇在基态附近有许多能量非常接近的同分异构体,且BeSi_n团簇的基态结构绝大多数为立体结构.n=1时,体系的基态为自旋三重态,n≥2时,则为单重态.铍原子的掺入使得主团簇的电子性质发生了明显的变化,掺杂使得体系的化学稳定性降低.BeSi₃,BeSi₅,BeSi₇与BeSi₉是幻数结构.团簇中原子间的成键相互作用随n的增大而增强.

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W_mB_n(m+n≤7)团簇结构与稳定性的密度泛函理论研究

张秀荣, 尹琳, 李维军, 王杨杨, 袁爱华

2013, 30(5): 775-782.

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采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在LANL2DZ基组水平上优化W_mB_n(m+n≤7)团簇的几何结构,得到它们的基态构型,并对基态构型的平均结合能、二阶能量差分、能隙及WIB键级进行计算.结果表明:WB_n团簇的基态构型均是平面结构;当m≥2且m+n≥4时,除W₃B团簇外,其余团簇的基态结构均为立体结构;团簇的热力学稳定性随W原子个数的增加越来越好,W-W键的强度明显高于W-B和B-B键,W原子对团簇的稳定性起主导作用;W₂B₂和W₃B团簇最稳定.

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ZnS(111)表面掺杂Mn的电子结构和磁性的第一性原理研究

宋德王, 牛原, 肖黎鸥, 李丹

2013, 30(5): 783-790.

摘要 ( )

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应用基于密度泛函理论的第一性原理,研究Mn原子掺杂在ZnS(111)表面的电子结构和磁性.对于单原子的掺杂组态,替位表面第一层的Zn原子时体系形成能最低,说明该层是最稳定的掺杂位置.体系总磁矩取决于Mn原子的局域环境.而对于双掺杂组态,当Mn与Mn之间呈短程铁磁耦合作用时体系最稳定.这可由Mn原子和近邻S原子的p-d杂化作用解释.此时,体系的居里温度估算值为469 K,明显高于室温,具有理论指导意义.Mn原子和受主半导体之间的相互作用是自旋极化产生的主要原因.计算结果表明,该掺杂材料可以很好的用来制作稀磁半导体,具有良好的应用前景.

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