计算物理

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基于特征理论的二维可压缩流动的二阶拉氏算法

孙宇涛, 贾祖朋, 于明, 任玉新

2012, 29(6): 791-798.

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提出一种求解二维拉氏可压缩流体力学方程的中心型二阶精度有限体积方法.利用特征理论构造网格节点处的局部近似演化算子,算子用来求解网格节点处的速度及压力,利用这些物理量更新节点位置及计算网格界面通量.通过结合一定的重构方案,该方法达到时、空二阶精度,并且形式简单、计算量小,适用于结构网格与非结构网格.典型数值实验表明,本文格式具有良好的收敛性、对称性及鲁棒性,且能自然地求解多物质流动问题.

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格子Boltzmann方法中三种流固耦合格式的对比

黄荣宗, 王亮, 郭照立

2012, 29(6): 799-806.

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详细对比分析模拟流固两相流的格子Boltzmann方法中三类不同的流固耦合格式(半反弹方法、亚网格方法和曲边界方法)的特点,发现半反弹方法所获得的速度、角速度存在较大的扰动,而亚网格颗粒方法则能够获得平滑的发展曲线.

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一种减少壁热误差的自适应热粘性

沈智军, 谢亚伟, 闫伟

2012, 29(6): 807-814.

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使用单元中心型拉氏方法,研究一维球、柱坐标等径向对称流体力学方程组的数值格式和减少壁热误差的方法.简要分析壁热误差与差分格式修正方程的关系.通过对Riemann问题声波和HLL近似解的比较,提出减少壁热误差的一种自适应的热通量粘性.多项数值实验表明该方法可以获得令人满意的计算结果.

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直流道PEMFC两相流数学模型

刘训良, 楼国锋, 温治

2012, 29(6): 815-822.

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建立直流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维非等温两相流数学模型,基于质子交换膜与气体之间的水分传递特征,综合考虑电渗、浓度扩散及电化学反应作用的影响,发展了膜电极水分传递的非平衡扩散模型.并自主开发程序代码对电池内复杂的多物理场耦合传递过程进行数值模拟,研究PEMFC电极内气态水、液态水分布、质子膜含水量分布和水迁移特性等,分析单电池内部的温度分布特征,并获得电池极化性能曲线.

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低渗透多孔介质非达西渗流动边界界面追踪

刘文超, 姚军, 王建忠

2012, 29(6): 823-827.

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基于低渗透多孔介质非达西不稳定渗流的动边界数学模型,推导动边界移动速度的微分表达式,揭示动边界移动速度与动边界上地层压力关于径向距离的二次导数成正比;由此利用拉格朗日三点插值公式求得动边界附近控制方程的有限差分格式,并对下一时刻动边界的精确位置进行追踪.有限差分方法的数值结果表明界面追踪法可较好地反映低渗透多孔介质非达西不稳定渗流动边界的移动规律.

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作用力求取方法对多相伪势模型的影响

胡安杰, 李隆键, 曾建邦

2012, 29(6): 828-836.

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基于伪势模型将有效密度和势函数结合计算粒子间相互作用力,提出一种改进描述气液相变的格子Boltzmann模型.对不同状态方程控制的单组份流体相变过程进行模拟发现,与单纯由有效密度或势函数计算粒子间相互作用力的方法相比,该模型的结果与Maxwell构建更吻合,且最大伪速度更小,扩大了温度的计算范围,提高了模型的稳定性.基于Laplace定律对界面现象模拟结果进行讨论,模拟结果与Laplace定律吻合.

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非高斯单因子短期利率模型正则化参数估计

江良, 徐承龙

2012, 29(6): 837-844.

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应用正则化方法估计带约束条件非高斯单因子短期利率模型中含时间变量参数估计.基于变分原理,证明该正则化方法具有稳定性和收敛性.由于该问题是一个带有约束条件的反问题,本文应用罚方法把原问题转化为非约束条件问题以方便计算.最后,通过数值模拟确认该算法的有效性并给出实证结果.

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三维磁共振电阻抗成像的改进分层灵敏度算法

李刚, 陈瑞娟, 郝丽玲, 周梅, 林凌

2012, 29(6): 845-852.

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针对人体组织电导率的三维成像问题,提出一种改进的分层灵敏度磁共振电阻抗重建算法.利用单方向磁感应强度信息,对三维电导率图像实行分层重建,每层重建仅利用该层磁通密度分量测量数据,然后对单层重建结果进行修正以获得三维电导率重建图像.三介质长方体模型上的仿真实验证明,改进的分层重建算法改善了层间串扰现象,可以获得比一般分层算法甚至整体算法更高的图像分辨率,而且重建时间较整体算法显著减少;基于人体腿模型的仿真实验表明该算法对复杂模型三维重构的可行性;最后通过仿体实验验证算法的重建效果.改进的分层灵敏度重建算法降低了灵敏度矩阵法的计算机硬件需求,减少了重建时间,对MREIT的三维重建具有较高的成像精度和求解效率.

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周期对称结构R-FDTD方法及其减元优化

刘丽娜, 朱峰, 徐常伟, 牛大鹏

2012, 29(6): 853-858.

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论述减缩时域有限差分方法(R-FDTD)中暂存场分量边值补充计算的必要性,提出周期对称结构R-FDTD方法,基于对称关系和周期边界条件(PBC),给出需要补充计算的暂存分量表达式.利用对称性,将计算空间缩减为原来的1/4,对称面外侧场分量由对称关系得到,1/4空间周期对称结构R-FDTD可更进一步将计算区域的内存使用量降为FDTD算法的1/6,且不影响计算精度.计算无限大钢筋网和钢筋混凝土墙壁的电磁脉冲响应,结果与FDTD的计算结果吻合.改进的算法在内存使用和计算时间上具有明显的优势.

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碰撞对两种正离子的电负性磁鞘影响的数值研究

赵晓云, 张丙开, 武山, 李世刚

2012, 29(6): 859-866.

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建立包括两种正离子的电负性磁鞘的流体模型,利用四阶龙格库塔法数值求解描述一维稳态等离子体鞘层的方程组,考察离子与中性粒子碰撞对一维稳态等离子体鞘层的影响.结果表明:鞘边Ar⁺与He⁺的含量比值与碰撞参数对离子马赫数的取值范围都有影响.鞘边负离子含量越少,碰撞对鞘层中带电粒子密度的影响越明显.并且随碰撞参数的加大,鞘层中电子、负离子的密度下降越快,两种正离子的密度则呈现不同的波动变化.鞘边负离子含量越多,碰撞对鞘层中两种正离子的速度影响就越明显.此外,碰撞参数越大对鞘边δ越大的鞘层中的带电粒子密度影响越大.

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均匀电场SF₆短气隙放电过程动态模拟

郑殿春, 夏云双, 朱士华, 王文龙, 赵大伟

2012, 29(6): 867-875.

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根据基本物理定律和流体力学,构建均匀电场下SF₆短气隙放电流体模型,运用通量校正传输法(flux-corrected transport)数值分析大气压下4 mm间隙SF₆的放电过程,展现放电空间带电粒子产生、复合、附着、扩散以及光致电离动态过程,获得了放电间隙电场畸变、带电粒子动力学行为和放电通道形成发展历程和时空分布,根据R-M判据求出模型放电过程中电子崩转向流注的时空临界点,印证了光致电离在流注发展阶段的重要作用.

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基于区域分解和逐级光线分裂的杂散光分析

陈学, 孙创, 夏新林

2012, 29(6): 876-880.

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针对蒙特卡罗法运算量大的问题,通过引入区域分解和逐级光线分裂技术,减少杂散光线与表面交点求解时所涉及的表面数及跟踪光线数,降低计算量.区域分解时,考虑子区域与表面数的匹配关系;并基于杂散光传播过程的模拟信息,逐级确定光线分裂倍数.以大衰减比抑制结构和多传感器系统为例,进行杂散光分析.结果表明,对复杂系统杂散光传播的蒙特卡罗法模拟,应用区域分解和逐级光线分裂技术,可以在保持计算精度的前提下,有效地提高计算效率.

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Doppler展宽准Λ型四能级系统中传播效应的位相相关性

刘中波, 樊锡君

2012, 29(6): 881-890.

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利用数值计算详细研究具有真空诱导相干的准Λ型四能级原子系统中探测场和驱动场之间的相对位相(Φ)对传播效应的影响。结果表明:通过选择Φ的取值可以获得更大的GWI和更长的存在无反转增益的传播距离,从而获得更高的LWI强度;Doppler展宽存在时,Doppler展宽宽度及探测场和驱动场传播方向对位相相关的GWI和LWI强度的空间演化有明显的调制作用。

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基于概率迭代的NDP反演方法

杨鑫, 李润东, 刘汉刚, 王冠博, 王侃

2012, 29(6): 891-900.

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针对中子深度分析(NDP)技术,基于概率迭代思想,推导一种迭代反演方法,对其和线性正则化方法在NDP反演问题中的应用进行比较.未引入计数随机误差时,两者都能得到较好的反演结果,迭代法的结果是非负的,线性正则化方法在源强度发生阶跃处得到的结果更好.在考虑随机误差存在的情况下,迭代法的效果更佳.同时,研究了迭代矩阵对结果的影响,矩阵元的指数放大可以实现迭代过程的加速.

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二维颗粒破碎过程的计算机模拟

王振辉, 杨先清, 陈琼

2012, 29(6): 901-905.

摘要 ( )

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以材料力学为基础构建单颗粒破碎模型,通过分子动力学方法模拟二维颗粒的破碎过程.结果表明:最终的颗粒大小分布为幂律分布,其分形维数为1.1,与实验结果相符,表明颗粒的破碎是一分形过程.

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Mg(NH₂)₂与LiH放氢反应机理的密度泛函理论研究

陈玉红, 董肖, 吕晓霞, 张梅玲, 张材荣, 康龙, 罗永春

2012, 29(6): 906-912.

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采用密度泛函理论B3LYP方法研究Mg(NH₂)₂与LiH放氢反应机理,在6-311G(d,p)基组水平上对反应物、中间体、过渡态及产物进行全几何参数优化,频率分析和内禀反应坐标(IRC)计算证实中间体和过渡态的正确性和相互连接关系.计算结果表明,反应分三个阶段,包括第一步氢取代反应,第二步氢取代反应和脱氢后的异构化反应.反应有两条途径,其中第二步对位氢取代反应所对应通道为主反应通道.反应释放的H₂中两个氢原子分别来源于Mg(NH₂)₂和LiH.

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W_nNi_m(n+m=8)团簇轨道能级与芳香性的理论研究

张秀荣, 李扬, 尹琳

2012, 29(6): 913-920.

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用密度泛函理论(DFT)中的b3lyp方法,在Lanl2dz基组水平上对W_nNi_m(n+m=8)团簇的各种可能构型进行几何参数全优化,得到它们的基态构型;并对基态构型的轨道能级分布、能隙、HOMO、LUMO能级、芳香性和热力学性质进行分析,结果表明:团簇W₅Ni₃和W₆Ni₂的Alpha轨道和Beta轨道是完全简并的,所有电子都是严格两两配对的;团簇W₂Ni₆能隙最小,化学活性最强,组成前线轨道的成分基本相同;W₆Ni₂能隙最大,化学活性最弱;团簇W₁Ni₇,W₅Ni₃,W₆Ni₂,W₇Ni₁具有芳香性,W₂Ni₆具有反芳香性;团簇的生成焓都是负值,为放热反应,热力学上是稳定的.

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PtIr_n^0,±(n=1~5)团簇电子结构与振动光谱的理论研究

郭文录, 饶倩, 张秀荣

2012, 29(6): 921-930.

摘要 ( )

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采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法对PtIr_n^0,±(n=1~5)团簇基态构型的自然键轨道(NBO)、光谱、芳香性和极化率进行理论研究.结果表明:团簇形成过程中Pt得到电荷,而对于Ir原子,电荷有得有失,部分Ir原子失去的电荷转移到Pt原子及其它Ir原子上;原子数较多的团簇红外(IR)光谱和Raman谱中出现较多的振动峰,其中PtIr₄^-团簇的IR光谱及Raman光谱的振动峰最强;团簇PtIr₃、PtIr₅、PtIr₅⁺具有芳香性;PtIr_n^0,±(n=1~5)团簇原子间的成键相互作用随n的增加而增强,团簇PtIr₃、PtIr₅⁺电子结构相对不稳定,离域效应较大,阴离子团簇的电子结构的稳定性随着原子数增加逐渐增强,离域效应逐渐减小.

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应力各向异性下耦合三层薄膜铁磁共振

荣建红, 王焕, 云国宏

2012, 29(6): 931-937.

摘要 ( )

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研究铁磁/铁磁/反铁磁三层薄膜中应力各向异性场对共振场的影响.得到系统存在声学和光学两种模,并且随着应力场的增强,在某些区域声学模和光学模共振场均向高值方向移动.此外发现声学模共振场对两铁磁层厚度的依赖较大,对光学模而言,随着两铁磁层厚度的改变,应力各向异性场对其共振场的影响甚微.

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三维单芯片多处理器温度特性

王凤娟, 杨银堂, 朱樟明, 王宁, 张岩

2012, 29(6): 938-942.

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给出热阻矩阵的表达式,研究三维单芯片多处理器(3D CMP,three-dimensional chip-multiprocessor)的温度特性,通过Matlab分析热容、热阻和功耗对温度的影响.结果表明:减小热阻和功耗可以有效约束3D-CMP的稳态温度;热容增大可以导致3D-CMP温度上升时间变长,但不影响其最终稳态温度.

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电网在三种边攻击方式下的级联失效

蓝庆玉, 邹艳丽, 冯聪

2012, 29(6): 943-948.

摘要 ( )

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研究美国西部电网在三种边攻击方式下级联失效差异性.定义边ij的初始负载为(k_ik_j)^θ,k_i,k_j分别表示节点i和j的度,θ为一可调参数.三种边攻击方式分别为:最小负载边攻击方式(LL)、最大负载边攻击方式(HL)和容量比最小边攻击方式(SPC).通过分析电网的拓扑结构,研究三种攻击方式级联失效差异性.研究表明:HL和LL攻击方式下,受攻击边的范围不随θ而改变,HL的攻击效果随θ的增大而增强,LL的攻击效果随θ的增大而减弱.而SPC法选中的被攻击边随θ变化,当θ取值较小时,SPC攻击边是拓扑结构较特殊的一种最小负载边,随着θ的增大,SPC攻击边趋向于高负载边,因此θ较小时,SPC的攻击效果和LL接近,当θ较大时,SPC的攻击效果和HL接近.

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